Главная → Статьи

Применение связующих в производстве огнеупорных и жаростойких бетонов и масс

Жаростойкие и огнеупорные бетоны и массы используются при возведении и эксплуатации сооружений, конструкций и агрегатов, работающих в условиях повышенных и высоких температур.

Главные области применения огнеупорных и жаростойких бетонов и масс: черная и цветная металлургия, теплоэнергетика, химическая промышленность, керамическое производство.

Различие между бетонами и массами при одинаковых составах заключается в том, что бетоны используются в виде заранее отформованных изделий, конструкций, деталей, а массы применяются для проведения ремонтных работ, в том числе по бетону, а также в качестве поверхностной защиты, наносимой разбрызгиванием (набрызг-бетон) или в принудительном режиме (торкрет-массы).

Согласно официальной номенклатуре (ГОСТ 20910, ГОСТ 25192), по допустимой температуре применения бетоны делятся на классы от «3» (до 300 °С) до «18» (до 1800 °С). По огнеупорности бетоны и массы подразделяются на жароупорные с огнеупорностью ниже 1580 °С и огнеупорные — выше 1580 °С. Бетоны и массы, используемые при повышенных и высоких температурах, различаются также термической стойкостью — количеством воздушных и водных теплосмен, которые они способны выдержать без разрушения.

Вещественный состав жаростойких и огнеупорных бетонов и масс такой же, как у обычных материалов: связующие (вяжущие) компоненты, заполнители, возможно использование добавок различного назначения — пластификаторов, регуляторов схватывания и т. д.

Твердение жаростойких и огнеупорных бетонов происходит за счет химического взаимодействия компонентов при температурах от комнатных до 600 °С.

По объемной массе бетоны делятся на тяжелые (более 1500 кг/м3) и легкие (менее 1500 кг/м3). Процесс производства жаростойких и огнеупорных бетонов и масс аналогичен производству обычного бетона.

Наиболее распространенным и широко освоенным связующим для жаростойких бетонов является жидкое стекло. Основным видом жидкого стекла, применяемого для производства жаростойких (огнеупорных) бетонов, является натриевое жидкое стекло (ГОСТ 13078). В некоторых разработанных рецептурах рекомендовано использование измельченной силикат-глыбы (ГОСТ 13079).

Для отверждения жидкого стекла в состав жаростойких бетонов вводят кремнефтористый натрий, а также вещества, содержащие двухкальциевый силикат,—нефелиновый шлам (попутный продукт переработки щелочных алюмосиликатов на глинозем), шлаки феррохрома, ферромарганца, некоторые виды сталерафинировочных шлаков, содержащих у-форму Ca2Si04.

Взаимодействие отвердителей с жидким стеклом обеспечивает необходимую сырую (манипуляторную) прочность, а также требуемую конструкционную прочность, в формировании которой участвует также термоупрочнение за счет прогрева бетона. В дальнейшем, в ходе высокотемпературной эксплуатации, наблюдается характерное терморазупрочнение бетона, составляющее для бетонов на жидком стекле 20—30%. Это связано с дегидратацией продуктов твердения жидкого стекла и в определенной степени может компенсироваться процессами высокотемпературного спекания.

Несмотря на низкую собственную огнеупорность (-800 °С) жидкостекольной связки, огнеупорные бетоны различного состава на ее основе могут характеризоваться высокой огнеупорностью (до 1600 °С), определяемой результатами взаимодействия в системе жидкое стекло — наполнитель в области высоких температур, а также макроструктурой сформировавшегося спека. Высокотемпературные процессы, протекающие в силикатной связке при высоких температурах, зависят от вида примененного от-вердителя и включают удаление адсорбционной воды (воды, связанной гелем кремнекислоты), дегидратацию гидросиликатов натрия и гидросиликатов кальция, а также образование натриево-кальциевых силикатов и, вероятно, низкоосновных силикатов кальция. При температуре выше 1000 °С в системе появляется расплав, при охлаждении образующий стеклосвязку.

Высокотемпературные процессы в системе жид-костекольная связка — огнеупорный наполнитель значительно более сложные и изучены недостаточно. Огнеупорный наполнитель в тонкодисперсном состоянии вступает в заметное взаимодействие с продуктами твердения жидкого стекла при температурах выше 600 °С. Продукты этого взаимодействия, как правило, не являются равновесными фазами в соответствующих системах (например, в системах MgO — Na20 — Si02, Al203-Na20-Si02 и т. д.) и представляют собой в ряде случаев аморфные фазы переменного состава, различные полупродукты, конгломераты трудноидентифицируемых соединений и др.

Жидкое стекло применяется для изготовления бетонов трех основных видов — кремнеземистых, алюмосиликатных и магнезиальных. В кремнеземистых бетонах заполнителями являются кварцит и динас, эти же вещества используются в качестве тонкомолотого компонента. В зависимости от конкретного состава содержание жидкого стекла в бетонной смеси находится в пределах 6,5—18,0 мас.. Важной практической характеристикой жидкого стекла является его плотность: с увеличением плотности от 1,2 до 1,4 г/см3 сроки схватывания кварцитовых бетонов увеличиваются, возрастает также прочность бетона на сжатие. Примеры составов и свойств огнеупорных бетонов приведены в табл. 85. Фазовый состав кремнеземистых бетонов, применяемых в условиях высоких температур, характеризуется кристаллическим сростком полиморфных модификаций Si02 и жидкой фазой, содержание которой пропорционально количеству связующего. При увеличении количества жидкого стекла от 4 до 15 огнеупорность бетона падает с 1700 до 1560 °С.

В алюмосиликатных бетонах используют шамотные, мулли-токремнеземистые и муллитовые заполнители, обеспечивающие температуру эксплуатации таких бетонов до 1600 °С. В высокоглиноземистых бетонах применение жидкого Стекла нецелесообразно.

К магнезиальным бетонам на жидком стекле относится группа составов, включающая в качестве заполнителей периклаз, магнезиально-шпинелидные заполнители (периклазохромитовые, хромитовые, периклазошпинелидные и др.), а также маг-незиально-силикатные заполнители (периклазофорстеритовые, форстеритохромитовые, форстеритовые и др.).

Из бетонных смесей, включающих жидкое стекло, огнеупорный наполнитель и добавки, изготавливают наряду с тяжелыми бетонами также легкие и ячеистые. В легких огнеупорных бетонах в качестве заполнителя используют керамзит. Пористая структура газобетона формируется за счет введения газообразо-вателя в состав тонкомолотой массы с последующим автоклавным твердением бетона.

Широко распространенной основой для получения жаростойких и огнеупорных бетонов и масс являются фосфатные вяжущие системы. Благодаря высокой химической активности и хорошей связующей способности фосфорнокислых растворов в таких системах в качестве порошковой составляющей чаще всего выступают собственно огнеупорные материалы, которые по отношению к воде, как правило, химически инертны. Взаимодействие компонентов в этих бетонах приводит к образованию цементирующих фаз, обладающих устойчивостью в условиях повышенных и высоких температур.

Таким образом, на основе фосфатных вяжущих систем изготавливаются жаростойкие и огнеупорные бетоны и массы, по своим техническим свойствам часто превосходящие другие виды аналогичной продукции.

Динасовые бетоны и массы изготавливают из размолотого динаса и концентрированной ортофосфорной кислоты или гли-ноземсодержащих связок с включением либо без включения крупного огнеупорного заполнителя. Для таких бетонов характерно высокое постоянство объема до 1700 °С, что является весьма ценным отличительным свойством, огнеупорность 1750 °С, температура деформации под нагрузкой 1660 °С, прочность при сжатии до 40 МПа. Материалы этого вида используются в качестве набивочных масс для сталеразливочных ковшей, индукционных печей, для изготовления блоков к мартеновским, нагревательным, стекловаренным печам.

Кварцевые бетоны на основе кварцитов, кварцевых песков в сочетании с фосфатными затворителями часто дополняются глиной и используются для футеровок сталеразливочных ковшей, фурм доменных печей и других конструкций. Недостатком таких бетонов является понижение их прочности при температурах 600—700 °С в связи с модификационным переходом силикатной основы а-кварц и в случаях образования AIPO4 (при участии глинистых минералов и (или) алюмофос-фатной связки) — а-А1Р04 -1/3-А1Р04- Как известно, AIPO4 является полным кристаллохимическим аналогом SiC>2. Температура деформации под нагрузкой у кварцевых бетонов составляет 1640 °С, прочность —до 25 МПа.

Шамотные бетоны и массы на основе молотого шамота и фосфатных затворителей, часто с включением в состав технического глинозема, характеризуются значительным ростом прочности при повышении температуры от 300 до 1300 °С, огнеупорностью 1660 °С, температурой деформации под нагрузкой 1410 °С, прочностью 40 МПа и более.

Высокими техническими свойствами обладают фосфатные бетоны на глиноземсодержащих материалах. Так, корундмулли-товый фосфатный бетон, представляющий собой композицию из корунд мулл итового шамота (95%), глины (5%) и фосфорной кислоты, обладает огнеупорностью до 1850 °С при деформации под нагрузкой при 1570 °С. Прочность при сжатии таких бетонов может достигать 80 МПа.

До сих пор мы рассматривали бетоны и массы, для отвердевания которых требуется повышение температуры (практики называют это не совсем правильно «сушкой») в пределах 100— 600 °С. Магнезиальные фосфатные бетоны, как правило, отвердевают при обычных комнатных температурах, так как в основе этого процесса лежит взаимодействие оксида магния с ортофосфорной кислотой, имеющее большую интенсивность. Главная химическая реакция при твердении магнийфосфатных вяжущих систем

MgO + H3P04+2H20 • MgHP04 • 3H20

протекает со значительным тепловыделением (105 кДж/моль).

К группе магнезиальных фосфатных бетонов относятся сочетания MgO, а также магнезиальных минералов и пород, например форстерита (2MgO • SiC>2), дунита ((Mg, Fe)3Si205(OH)4), магнезиальных шпинелей (MgO • AI2O3; AI2O3 • СГ2О3) с орто-фосфорной кислотой или растворами алюмо-, алюмохром-, ам-монийфосфатов, щелочных полифосфатов. Температура деформации под нагрузкой таких бетонов ниже, чем силикатных или алюминатных, и составляет 1100—1200 °С, хотя огнеупорность их достаточно высока и достигает 1650 °С. Преимуществом этого вида огнеупоров, помимо твердения в обычных условиях, является высокая прочность, достигающая 80—120 МПа.

Кроме перечисленных выше огнеупорных и жаростойких фосфатных бетонов и масс, уже имеющих достаточно широкое распространение, следует указать и некоторые другие материалы, перспективность которых для практики доказана. Это прежде всего хромитовые бетоны. Их порошковая часть представлена хромитовой рудой или хромоглиноземистыми шлаками, а за-творитель — чистой кислотой, растворами алюминия или магния. Такие бетоны имеют высокую (до 70 МПа) прочность при температурах 800—1450 °С и деформации под нагрузкой при 1350-1400 °С.

Циркониевые бетоны на основе двуокиси циркония ZrC>2 или циркона ZrC>2 • SiC>2 также обладают высокой прочностью и при этом значительно большими значениями температуры деформации под нагрузкой (выше 1600 °С).

Огнеупорные и жаростойкие бетоны и массы на основе фосфатных вяжущих систем испытаны и могут применяться во многих промышленных конструкциях, агрегатах и узлах. Так, в доменных печах фосфатные бетоны используются для футеровки фурм, сопел, где температуры достигают 1000—1200 °С.

Фосфатные бетоны конкурируют с штучными огнеупорами при футеровке мартеновских печей и сталеразливочных ковшей, причем в последнем случае они используются в качестве набивочных масс, т. е. засыпка производится по месту.

Фосфатные бетоны и массы рекомендованы к применению в агрегатах индукционной плавки редких металлов, меди, цинка, алюминиевых сплавов. В этих случаях с применением фосфатных бетонов и масс изготавливаются тигли, футеруются печи, причем металло- и шлакоустойчивость таких объектов во многих случаях выше, чем при использовании традиционных материалов.

Имеется значительный опыт применения фосфатных огнеупорных бетонов и масс при футеровке нагревательных, шахтных и вращающихся печей в черной металлургии, при производстве глинозема и цемента.

Фосфатные бетоны и массы используются в стекловаренных печах, туннельных печах для обжига керамики. Варианты применения этих материалов различны: для торкретирования огнеупорных кладок с целью увеличения срока их службы; в качестве основы самой кладки. Особенно эффективны они при защите подин вагонеток, работающих в режиме до 1700 °С. Известны многочисленные примеры использования фосфатных бетонов и масс в качестве мертелей для огнеупорных кладок различного назначения.

Фосфатные бетоны и массы — прогрессивный, технически и технологически эффективный материал, позволяющий решать сложные задачи по сооружению и защите тепловых агрегатов различного назначения.

Ваш отзыв