Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

В настоящее время одной из важных проблем является индустриализация наиболее сложной области строительства - футеровки тепловых агрегатов. В основном здесь используется мелкоштучная кирпичная огнеупорная кладка, трудоемкая в изготовлении и эксплуатации. Одним из путей решения данной проблемы является разработка технологии приготовления и применения жаростойких бетонов и совершенствование составов керамических огнеупорных материалов. В отличие от штучных огнеупоров жаростойкие бетоны являются безобжиговыми материалами, их огневая обработка осуществляется в тепловом агрегате в процессе его пуска. Жаростойкие бетоны как эффективный футеровочный материал можно использовать в виде крупных блоков, что сокращает количество швов, а также в монолитном варианте.

Жаростойкие бетоны, как многокомпонентные композиты, требуют применения не только огнеупорных технических продуктов, но и различных пригодных по качеству промышленных отходов. Иногда традиционными методами (обжиг образцов бетонов при различных температурах и их испытание на прочность) не удается правильно оценить характер влияния того или иного техногенного продукта на структуру и свойства жаростойких композитов.

Установлено, что такая характеристика огнеупорных футеровочных материалов, как электропроводимость, определяемая через удельное электросопротивление, является весьма чувствительной величиной к изменениям состава, структуры и температуры. Так при увеличении температуры от 100 °С до 1300 °С удельное сопротивление уменьшается с величины 1011 - 1012 до 103 - 104.

Разработанная методика измерения электросопротивления жаростойких бетонов и штучных огнеупоров позволяет в результате испытаний построить кривые изменения «ρ» от температуры (так называемые терморезистограммы). Их расшифровка, на наш взгляд, позволяет спрогнозировать работу футеровки не только при простом длительном температурном нагревании, но и в контакте с агрессивными средами. Поэтому считаем, что данный метод позволяет с большой достоверностью оценивать эффективность работы футеровок тепловых агрегатов, а именно материалов, применяемых для них.

Так как термостойкость и химическая сопротивляемость связаны с их электропроводностью, то, оптимизируя составы огнеупорных композитов по такому показателю, как первоначальное максимальное электросопротивление, можно получать различные футеровочные материалы с повышенной долговечностью. Такая методика пригодна и для подбора составов растворов (обмазок) и набивных масс, где необходимо учитывать влияние вида, гранулометрического и химического составов наполнителей и заполнителей на электросопротивление футеровочных материалов.

Данная методика позволяет повысить эффективность футеровки тепловых агрегатов, как за счет применения дешевых заполнителей и наполнителей, выбранных из отходов промышленности, так и за счет рациональной оптимизации составов. Как показали производственные испытания, проведенные в действующих тепловых агрегатах, футеровочные огнеупорные материалы оптимальных составов имеют повышенную химическую стойкость и, соответственно, долговечность. Срок службы таких футеровок увеличился в 2 - 4 раза в зависимости от степени агрессивности среды.

Жаростойкие бетоны фосфатного твердения

Для получения воздушно-твердеющих жаростойких бетонов на фосфатных связках были разработаны составы комбинированных алюможелезофосфатных и цирконожелезофосфатных связующих.

Оптимизация состава жаростойких бетонов фосфатного твердения по электропроводности осуществляется путем введения шламовых отходов предприятий цветной металлургии. Приготовление таких бетонов на различных предприятиях не требует специального оборудования.

Жаростойкие бетоны фосфатного твердения возможно получить с широким спектром свойств:

- тяжелые бетоны на высокоглиноземистом и шамотном заполнителях имеют среднюю плотность в пределах 2200-2500 кг/м3 , предел прочности при сжатии 25-35 МПа, термостойкость 35-45 водных теплосмен. Максимальная температура применения 1600-1700 °С. Рабочие футеровки, выполненные с применением таких бетонов, весьма устойчивы в контакте с расплавами алюминиевых сплавов, шлаков и других металлов;

- легкие жаростойкие бетоны на пористых заполнителях и бетоны ячеистой структуры имеют среднюю плотность в пределах 400-1200 кг/м3, предел прочности при сжатии от 2,5 до 15 МПа, термостойкость 25-35 воздушных теплосмен, температура применения 1000-1600 °С. Такие бетоны можно применять в виде эффективной теплоизоляции тепловых агрегатов взамен штучных дорогостоящих ультралегковесов. Тяжелые, легкие и ячеистые жаростойкие бетоны фосфатного твердения возможно использовать как в монолитном варианте, так и в виде отдельных сборных элементов (блоков);

- фосфатные огнеупорные обмазки в виде жаростойких растворов возможно применять как для кладки штучных огнеупоров, так и в виде защитных обмазок для повышения химической стойкости штучных огнеупоров (шамота, динаса, муллита и др.). Фосфатные огнеупорные обмазки позволяют значительно повысить стойкость и долговечность футеровок, выполненных на основе штучных керамических огнеупоров для любых агрессивных сред. Температура применения фосфатных обмазок составляет 1600-1700 °С. Такие обмазки возможно применять в виде торкрет-масс и сухих смесей.

Для приготовления жаростойких бетонов и растворов (обмазок) фосфатного твердения не требуется специальных материалов. Тонкомолотые добавки для формирования цементного камня и заполнители жаростойких растворов и бетонов возможно подобрать из отходов промышленности (отработанные катализаторы, огнеупорный лом и др.). Так, например, воздушно-твердеющую алюможелезофосфатную связку получили в результате комбинации высокоглиноземистого и железосодержащего отходов (отработанного катализатора ИМ-2201 и пиритных огарков).

Разработана также технология изготовления жаростойкого газобетона на алюможелезофосфатном связующем. Особенностью данного материала является то, что в нем в качестве вяжущего используются композиции, состоящие из дисперсного металлического алюминия и ортофосфорной кислоты. Взаимодействие кислоты с алюминием протекает в течение короткого отрезка времени, с большим газо- и тепловыделением по реакции:

2 Al + 2 H3PO4 → 2 Al PO4 ↑ + 3 H2 + O2.

Если рационально подобранную смесь, состоящую из тонкомолотого огнеупорного наполнителя (высокоглиноземистые тонкомолотые неорганические отходы), ортофосфорной кислоты и дисперсного алюминия перемешать, то при достижении 25-30 °С она самопроизвольно разогревается до 120-180 °С, вспучивается и затвердевает. Время изготовления изделий от укладки смеси в форму составляет 10-30 мин.

На основании анализа результатов научно-исследовательских разработок, выполненных в СамГАСА, показана высокая эффективность применения фосфатного связывания неорганических отходов с целью применения их в жаростойких бетонах с температурой службы 700-1600 °С.

Жаростойкие, бетоны на жидкостекольных связующих и силикат-натриевых огнеупорных композициях

Тяжелые жаростойкие бетоны на жидком стекле с шамотными и высокоглиноземистыми заполнителями показали повышенную стойкость и долговечность в футеровках соляных ванн, где готовятся расплавы солей-хлоридов натрия, калия, бария для химико-термической обработки металлических деталей и изделий.

В составах бетонов на жидком стекле традиционный отвердитель - кремнефтористый натрий, возможно заменить на материалы, содержащие силикаты или алюминаты кальция. Это позволило повысить температуру применения тяжелых жаростойких бетонов от 1100 до 1350 °С и расширить область их применения. Такие бетоны отличаются также повышенной окалиностойкостью, что позволило их применять для футеровки подин нагревательных газовых печей кузнечного производства и для изготовления индукторов технологических линий подшипникового производства.

Преимущество жаростойких бетонов на основе силикат-натриевой композиции перед жидкостекольными состоит в том, что применение отвердителей не требуется, а затворение смесей осуществляется водой. Тяжелые жаростойкие бетоны на жидком стекле и растворимом силикате натрия (силикат-глыбе) возможно применять в монолитном варианте, в виде отдельных блоков и выпускать в виде сухих смесей.

Легкие жаростойкие бетоны на пористых заполнителях, где связующим является жидкое стекло, отличаются также высокой химической стойкостью и термостойкостью. Такое сочетание свойств позволяет эксплуатировать их в виде эффективной теплоизоляции электрических печей цементации, где имеется восстановительная углеродсодержащая атмосфера. В таких условиях шамотные легковесы в течение первых двух месяцев науглероживаются из-за накопления сажистого углерода в порах и выходят из строя. Среднюю плотность теплоизоляционных бетонов можно регулировать в пределах от 400 до 700 кг/м3, соответственно имеется возможность влиять на теплоизоляционные качества материала.

Максимальная прочность таких бетонов может достигать 7,5 МПа, термостойкость - до 25 воздушных теплосмен. Эти свойства позволяют применять такие бетоны в монолитном варианте, в виде отдельных элементов, а также заранее готовить в виде сухих смесей.

Жидкостекольные огнеупорные обмазки в виде жаростойких растворов возможно применять для кладки штучных огнеупоров, защиты футеровок термических печей кузнечного производства, где возможно образование окалины. Температура применения защитных обмазок на основе жидкого стекла находится в пределах 1100-1400 °С в зависимости от типа отвердителя и вида заполнителей. Такие обмазки возможно наносить на кирпичные футеровки с помощью торкрет-пушек, а выпускать в виде сухих смесей. Сырьевые компоненты для жаростойких растворов можно выбрать из широкого набора промышленных отходов химии, нефтехимии, машиностроения и металлургии. Спецоборудования не требуется. Из отходов промышленности был опробован фосфорный шлак в качестве отвердителя жидкостекольных масс, а также алюмокальциевый шлам.

Жаростойкие бетоны на гидравлических вяжущих

Жаростойкие бетоны на гидравлических вяжущих считаются самыми доступными. В качестве вяжущих возможно применять портландцемент в сочетании с огнеупорной тонкомолотой добавкой, шлакопортландцемент, глиноземистый и высокоглиноземистый цементы. Заполнители и тонкомолотые добавки возможно изготовить путем дробления и помола огнеупорного лома и других промышленных отходов. В качестве тонкомолотых добавок возможно использовать многие тонкодисперсные промышленные отходы (например, керамзитовая пыль), а также глиноземсодержащие шламы. Применение алюминатных шламов в составах жаростойких бетонов позволяет повысить термическую стойкость футеровочных материалов за счет повышения их электросопротивления. Температура применения таких жаростойких бетонов на портландцементе и шлакопортландцементе составляет 1100-1500 °С в зависимости от вида заполнителя и тонкомолотой добавки, на глиноземистом цементе - 1200-1400 °С, на высокоглиноземистом - 1500-1700 °С.

Тяжелый жаростойкие бетоны на портландцементе и глиноземистом цементе весьма эффективны в футеровках вагонеток туннельных печей керамического производства, в футеровках котельного оборудования и т.д. Бетоны на высокоглиноземистом цементе с корундовым заполнителем показали высокую химическую стойкость в восстановительных средах (в агрегатах получения аммиака). Для повышения химической стойкости и термостойкости бетонов на портландском и глиноноземистом цементах в их состав можно вводить шламовые отходы алюминатного состава. Тем самым повышается долговечность футеровок и эффективность тепловых агрегатов.

Легкие жаростойкие бетоны гидравлического твердения на пористых заполнителях и бетоны ячеистой структуры имеют среднюю плотность в пределах 400-1200 кг/м3, термостойкость 12-18 воздушных теплосмен, температуру применения 1100-1400 °С. Такие бетоны весьма эффективно применять для теплоизоляции футеровок тепловых агрегатов с воздушно-окислительной средой: вагонетки туннельных печей, сушильные камеры, туннельные печи и т.д. Легкие жаростойкие бетоны на высокоглиноземистом цементе пригодны для эксплуатации в восстановительной среде. Применение керамзитовой пыли в составах легких бетонов значительно повысило их термическую стойкость.

Жаростойкие растворы на гидравлических вяжущих возможны к применению в тепловых агрегатах для кладки штучных огнеупоров, для приготовления теплоотражающей энергосберегающей обмазки футеровки и для ее ремонта. Температура применения жаростойких растворов и обмазок может достигать 1200-1700 °С в зависимости от вида заполнителя.

С применением керамзитовой пыли - отхода производства пористых заполнителей, возможно получить теплоизоляционные растворы, пригодные для защиты металлических конструкций и футеровок тепловых агрегатов от высоких температур (фартуки вагонеток, заслонки печей).

Штучные огнеупоры с повышенными физико-термическими свойствами

С целью повышения физико-термических свойств и химической стойкости шамотного огнеупора необходимо увеличить его первоначальное электросопротивление. Это можно осуществить путем нанесения на готовую кирпичную кладку пластичных огнеупорных защитных обмазок или путем выдержки огнеупоров в ваннах с соответствующими растворами, модифицирующими состав и структуру материалов. Во втором случае кладку огнеупоров следует вести на соответствующем огнеупорном растворе. Для приготовления пропиточно-обмазочных составов используются глиноземсодержащие шламы, фосфатные связки, жидкое стекло и другие композиции в зависимости от вида агрессивной среды в тепловых агрегатах. Применяя пропиточно-обмазочную технологию при использовании штучных огнеупоров, имеется возможность перехода от дорогостоящих и дефицитных огнеупоров к весьма дешевым и доступным, например: корундовый огнеупор возможно заменить муллитом, а высокоглиноземистый огнеупор шамотом.

Данная технология позволяет также повысить физико-термические и эксплуатационные показатели жаростойких бетонов на гидравлических цементах и химических связующих (жидкое стекло, силикат-глыба).

Жаростойкие теплоизоляционные бетоны повышенной огнестойкости

Для защиты открытых участков газопроводов в местах перехода через овраги, балки, речные преграды требуются жаростойкие теплоизоляционные материалы с температурой применения до 1100 °С. Такую температуру может развивать струя горящего газа при прорыве газопровода. Для защиты соседних нитей трубопровода необходимо их покрывать теплоизоляционными бетонными скорлупами. Традиционные неорганические теплоизоляционные материалы (асбест, минеральная вата и др.) имеют сравнительно невысокую температуру применения.

В связи с этим предлагается легкобетонная или пенобетонная тонкостенная скорлупа на основе шлакопортландцемента, где наполнители представлены пористыми тугоплавкими материалами (керамзитовый гравий с насыпной плотностью не более 300 кг/м3). Кроме шлакопортландцемента в качестве вяжущего можно применять портландские цементы в композиции с тонкомолотым керамзитом или керамзитовыми пылевидными отходами.

Полученные легкие жаростойкие теплоизоляционные бетоны имеют среднюю плотность в пределах 600-700 кг/м3, коэффициент теплопроводности в сухом состоянии 0,14-0,16 Вт/м.°С, предел прочности при сжатии 3,0 - 4,0 МПа.