ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК  ШТУЧНЫХ ОГЕНУПОРОВ ФУТЕРОВОК ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ

 

INCREASE OF OPERATIONAL CHARACTERISTICS PIECE OGENUPOROV OF LININGS OF THERMAL UNITS

Соколова С.В. (СамГУПС, г.Самара, РФ)

Sokolova S.V. (Cand. Tech. Sci., the senior lecturer the Samara state University of means of communication, Samara)

 

Повышение долговечности штучных огнеупоров (шамотных, пеношамотных), пропитанных орофосфорной кислотой, объяснено образованием во время термообработки тугоплавких минералов AlPO4, FePO4

 

The increase in durability of piece obzhigovy ogneupor (shamotny, penoshamotny), impregnated with ortofosforny acid, is explained by education in a time at heat treatment of strong minerals of AlPO4, FePO4.

 

Ключевые слова: огнеупоры, фосфатные растворы, модификация, термостойкость, отход.

Keywords: refractories, phosphate solurions, modification, heat resistance, waste.

 

Одной из важных проблем в области строительства является индустриализация футеровки тепловых агрегатов. Пути решения данной проблемы - разработка технологии приготовления и применения жаростойких бетонов и совершенствование составов керамических огнеупорных материалов.

Установлено, что электропроводимость, определяемая через удельное электросопротивление, является весьма чувствительной величиной к изменениям состава, структуры и температуры огнеупорных материалов. Удалось установить, что электропроводность поддается регулированию. На электропроводность влияют химический и фазовый составы компонентов жаростойких композиций. Разработаны составы бетонов с максимальным первоначальным электросопротивлением. С целью повышения физико-термических свойств и химической стойкости шамотного огнеупора необходимо увеличить его первоначальное электросопротивление. Это возможно осуществить путем нанесения на готовую кирпичную кладку пластичных огнеупорных обмазок или путем выдержки огнеупоров в ваннах с соответствующими растворами, модифицирующими состав и структуру материала. 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 с более дорогостоящих и дефицитных огнеупоров на весьма дешевые и доступные (корундовый огнеупор возможно заменить на муллит, высокоглиноземистый огнеупор – на шамот, и т.д.).[1]

Разработан способ [2] повышения эксплуатационных характеристик алюмосиликатного огнеупора, содержащего 30-40% А12О3, включающего пропитку водным раствором фосфатных связующих с последующей термообработкой. Его особенностью является то, что пропитку осуществляют в нормальных условиях в течение 6-8 часов водным раствором кислого алюмофосфата типа А1(Н2РО4)3 плотностью 1,52 г/см3, синтезированного на базе ортофосфорной кислоты и шлама щелочного травления алюминия, содержащего, мас.%: А12О3 - 48-59; СаО - 0,3-1; Fe2О3 - 1,5-2,5; Si02 - 0-1,3; MgO - 0-4; Na2О 2,5-10; SО3 - 0-4; п.п.п. - 33-35, при следующем соотношении компонентов, мас.%:  

шлам щелочного травления алюминия - 35-40;

ортофосфорная кислота 60%-ной концентрации - 60-65,

а термообработку проводят при температуре 250-350°С в течение двух часов.

В начале получали концентрированный состав кислых алюмофосфатов путем затворения сухого шлама щелочного травления алюминия ортофосфорной кислотой определенной концентрации. Так, для получения алюмофосфатной связки типа А1(Н2РО4)3 на каждые 100 г 60%-ной ортофосфорной кислоты берем 15,9г тонкомолотого шлама щелочного травления алюминия, химический состав которого представлен в таблице 1.

 

Таблица 1 - Химический состав шлама щелочного травления алюминия

Содержание оксидов в шламе, %

А12О3

СаО

Fe2О3

SiО2

MgO

Na2О

SО3

п.п.п.

48-59

0,3-1

1,5-2,5

0-1,3

0-4

2,5-10

0-4

33-35

 

Таким образом, состав раствора был следующим:

шлам щелочного травления алюминия - 37,1%,

ортофосфорная кислота 60%-ной концентрации - 62,9%.

Присутствие щелочного компонента в шламе, а именно Na2О, ускоряет процесс образования концентрированного раствора А1(Н2РО4)3 при нормальной температуре. Водный раствор получали путем введения воды в ранее приготовленный концентрированный состав алюмофосфатных связующих, синтезированных на основе высокоглиноземистого шлама (отхода цветной металлургии - шлама щелочного травления алюминия) и ортофосфорной кислоты с определенной плотностью. При сушке и обжиге происходит превращение водорастворимых алюмофосфатов, находящихся в порах огнеупоров, в кристаллические соединения типа метафосфата Аl2РО3)3 с последующим переходом в стабильный и высокоогнеупорный трехзамещеный алюмофосфат А1РО4. Одновременно протекает и химическая реакция между минералами шамотного огнеупора (силлиманита Al2О3 SiО2, муллит 3Al2О3 SiО2) с кислыми алюмофосфатами А1(Н2РО4)3 и А12(НРО4)3 с образованием на конечном этапе трехзамещенного алюмофосфата А1РО4. Данные физико-химические превращения в порах огнеупоров приводят к образованию значительно большего количества алюмофосфата А1РО4. В основе научного подхода к применению водорастворимых алюмофосфатов в процессе пропитки шамотных огнеупоров лежит их химическая активность к взаимодействию со многими неорганическими соединениями (оксидами, силикатами и т.д.) и способность жидких растворов кристаллизоваться в процессе нагревания, переходя из метастабильного соединения А1(РО3)3 в стабильный алюмофосфат А1РО4. Фосфаты по условию образования представляют собой неорганические полимеры. Основным структурным элементом фосфатов служит группа РО43-, которая на поверхности имеет один атом кислорода, соединенный двойной связью с центральным атомом фосфора. Такое строение придает поверхности штучных шамотных огнеупоров способность несмачиваемости различными расплавами. Поэтому жидкие водорастворимые кислые алюмофосфаты предпочтительно применять в качестве раствора для пропитки в нормальных условиях штучных шамотных огнеупоров алюмосиликатного состава.

  Образование кислых алюмофосфатов происходило по следующим реакциям:

А1(ОН)3) + 3Н3 РО4 → А1(Н2РО4)3 + 3Н2О

21%         79%                  85,5%      14,5%

2А1(ОН)3) + 3Н3 Р04 →А12 (НРО4)3 + 6Н2О

34,6%        55,6%              68,4%      31,6% [3].

Образцы штучного шамотного огнеупора размером 5x5x5 см погружались в емкости с водорастворимыми алюмофосфатами на 6-8 часов при нормальной температуре t=20°C:

I серия - в раствор однозамещенного алюмофосфата А1(Н2РО4)з с плотностью ρ= 1,52 г/см3;

II серия - в раствор двузамещенного алюмофосфата А12(НРО4)3 с плотностью ρ=1,45г/см.

 После этого образцы шамотного огнеупора подвергались термической обработке при температуре 250-350°С в течение 2 часов.

При пропитке огнеупоров растворами А1(Н2РО4)3 и А12(НРО4)3 происходит полное заполнение всех пор материала. В процессе термообработки протекают активные химические реакции между минералами шамотного огнеупора (силлиманита Al2О3 SiО2, муллита 3Al2О3-2SiО2) с кислыми алюмофосфатами А1(Н2РО4)3 и А12(НРО4)3 с образованием на конечном этапе трехзамещенного алюмофосфата А1РО4. Также при нагревании пропитанных огнеупоров происходит превращение кислых алюмофосфатов А1(Н2РО4)3 и А12(НРО4)3, не вступивших в реакцию с минералами Al2О3 SiО2 и 3Al2О3-2SiО2, в метафосфат

А1(РО3)3 с последующим переходом его в стабильный и высокоогнеупорный трехзамещеный алюмофосфат. Свойства огнеупоров, полученных по данному способу, представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 - Влияние пропитки шамотного огнеупора водорастворимыми алюмофосфатными связкамиА1(Н2РО4)3 и А12(НРО4)з и последующего нагрева на его физико-термические свойства

Тип огнеупора и фосфатных связок

Средняя плотность (ρ0), г/см3 в числителе и предел прочности при сжатии (R), МПа в знаменателе образцов после термообработки при 250°С и последующего нагрева до температуры, °С

Огнеупорность, °С

Термостойкость, водные теплосмены

 

 

250

500

800

1000

1200

1500

 

 

 

 

Шамот типа ША по ГОСТ 390-96

1,93 20,6

2,01 19,7

2,08 23,7

2,05 20,8

2,03 19,6

2,08 23,9

1690

10

Шамот типа ША по ГОСТ 390-96, пропитанный

А1(Н2Р04

2,23 65Д

2,25 64,2

2,24 63,1

2,23 62,3

2,23 64,5

2,21 61,7

1760

28

Шамот типа ША по ГОСТ 390-96, пропитанный А12(НРО4)3

2,19 57,6

2,22 53,6

2,18 51,9

2,18 51,7

2,12 53,1

2,05 50,8

1760

25

Пропитка образцов шамотного огнеупора водными растворами специально синтезированных кислых алюмофосфатов типа А1(Н2РО4) и А12(НРО) и дальнейшая термообработка позволили:

- повысить их эксплуатационную прочность в 2,5-3 раза;

-   проводить процесс пропитки штучных огнеупоров при нормальной температуре, что исключает весьма небезопасный процесс "кипячения";

-  применяемые сырьевые материалы для приготовления растворов фосфатных связующих являются недефицитными и многие взяты из промышленных отходов, поэтому предлагаемый способ является недорогим среди известных способов;

-  использование предлагаемого способа позволяет повысить качество огнеупоров и способствует утилизации промышленных отходов.

 

Список использованных источников

1.       Соколова С.В., Томилин М.Г. Получение прогрессивных огнеупорных футеровочных материалов // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. научных трудов.- Брянск: БГИТА, вып.9.- 2009.- С 127-130.

2.      Хлыстов А.И., Соколова С.В., Коннов М.В., Садилов В.С. Способ повышения эксплуатационных характеристик алюмосиликатного огнеупора // Пат.   №  2474559; Заяв. 01.07.2011; Опубл. 10.02.2013.- Бюл. № 4.

3.      Будников П.П., Хорошавин Л.Б. Огнеупорные бетоны на фосфатных связках.- М.: Изд. Металлургия, 1971.- С.42.