РЕМОНТ ФУТЕРОВОК ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ ЖАРОСТОЙКИМИ КОМПОЗИТАМИ С ПОМОЩЬЮ ПРОПИТОЧНО-ОБМАЗОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

REPAIR OF THERMAL UNITS REFRACTORY COMPOSITES USING IMPREGNATING-COATING TECHNOLOGY

 

Соколова С.В. (САМГУПС, г. Самара, РФ)

Sokolova S.V. (the Samara state University of means of communication )

 

В связи с истощением запасов природных сырьевых ресурсов (каолинов) для производства штучных огнеупоров предлагается новая технология структурно-химической модификации традиционных шамотных изделий, позволяющая повысить их физико-термические параметры, в том числе термостойкость.

 

In view of the depletion of natural raw materials (kaolin) for the production of piece refractories, we propose a new technology of structural and chemical modification of traditional fireclay products, allowing to increase their physical and thermal parameters, including heat resistance.

 

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

Key words: refractories, phosphate solurions, modification, heat resistance, waste

 

Современные тепловые агрегаты, применяемые в разных отраслях промышленности, представляют собой крупные инженерные сооружения, работающие в сложных температурных условиях, в различных агрессивных средах, вызывающих изменение физико-механических свойств огнеупорных материалов, а также значительные напряжения и деформации конструкций в целом. Отсюда сравнительно быстрый выход из строя тепловых агрегатов, выполненных из штучных огнеупоров, необходимость их ремонта, расход большого количества дорогостоящих огнеупоров и значительные затраты труда высококвалифицированных рабочих. Строительство различных тепловых агрегатов, а также несущих конструкций в условиях одновременного воздействия высоких (постоянных и переменных) температур и агрессивных сред, требует увеличения выпуска жаростойких материалов, которые позволили бы увеличить срок службы тепловых агрегатов. В связи с этим весьма актуальной является разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий ремонта футеровок, что обусловит экономию сырья, топлива, энергии и применения отходов различных производств.

Разработан способ ремонта футеровки тепловых агрегатов жаростойким бетоном. Технический результат достигается тем, что перед нанесением  специального состава поверхность футеровки обрабатывают 50-70% раствором ортофосфорной кислоты или кислых фосфатов, затем наносят мелкозернистую жаростойкую бетонную смесь, после затвердевания которой полученный слой пропитывают 50-70% раствором ортофосфорной кислоты или кислых фосфатов с последующей термообработкой при первом пуске и выводе на режим теплового агрегата. При сушке и термообработке происходит взаимодействие фосфатных растворов с составляющими оксидами и минералами затвердевшего жаростойкого бетона с образованием стабильных тугоплавких фосфатов металлов. В основе научного подхода к применению жидких фосфатов при ремонте футеровок лежит их химическая активность к взаимодействию со многими неорганическими соединениями (оксиды, силикаты, алюминаты и т.д.). Фосфатные связующие были выбраны в качестве растворов-модификаторов потому, что все они имеют высокую температуру плавления. Температура плавления фосфатов, в частности трехзамещенных, зависит от многих структурно-энергетических характеристик. 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 жаростойких бетонов на фосфатной связке несмачиваемость различными расплавами. Поэтому ортофосфорную кислоту и связки на ее основе предпочтительно применять в качестве раствора для образования прослойки между старой кирпичной и новой бетонными футеровками. Из предлагаемых составов мелкозернистых плотных шамотных бетонов были приготовлены опытные образцы на двух типах вяжущих: I серия - на портландцементе для ремонта футеровки подготовительного барабана вращающейся керамзитообжигательной печи; II серия - на жидком стекле для ремонта футеровки обжигового барабана печи. Составы   разработанных бетонов для ремонта футеровок приведены в табл.1.  

 

Таблица 1-Составы бетонных смесей

№ состава

Состав бетонной смеси

кг3

1

Портландцемент, ПЦ-400-Д-20

150

Керамзитовая пыль, фр. 0,14-1,25

150

Шамотный щебень, фр. 5-10

750

Вода

250

2

Отработанный алюмохромистый катализатор, ИМ-2201

300

Глиноземистый цемент

100

Шамотный щебень, фр. 5-10

650

Шамотный песок, фр. 0,14-5

750

Жидкое стекло, (плотн. 1,36 г/см3)

350

Поверхностная пропитка жаростойких бетонов ортофосфорной кислотой позволила повысить их эксплуатационную прочность в 1,6 раза. Физико-термические характеристики  жаростойких бетонов представлены в таблице 2.

 

Таблица 2- Физико-термические характеристики  жаростойких бетонов

п/п

 

Средняя плотность, кг3 в сухом состоянии

 

Предел прочности при сжатии, МПа / Предел прочности сцепления покрытия

 

После обжига при рабочей температуре

После пропитки Н3РО4 с нанесением обмазки и обжига

 Состав № 1

 1220

5,56 (лаб. печь) / 2,98

9,1 (лаб. печь) / 3,04

5,5 (пром. печь) / 2,74

8,8 (пром. печь) / 2,81

Состав № 2

2060

26,5 / 5,5

42,6 ,5,64

 Предлагаемый  способ  позволяет ремонтировать футеровки при нормальной температуре, что делает его наиболее эффективным и безопасным с точки зрения технологии производства, может быть использован для ремонта футеровок тепловых агрегатов в условиях температур до 1700°С,  является недорогим среди известных способов.

В настоящее время для кладки футеровок печей  и других тепловых агрегатов используются в основном штучные керамические огнеупоры.    Известно, что огнеупорные материалы на основе фосфатных связок  имеют высокие физико-термические показатели и повышенную химическую стойкость ко многим агрессивным средам. На основе ортофосфорной кислоты и шлама щелочного травления алюминия возможно получение ряда алюмофосфатных связок (АФС), которые образуются по следующим реакциям:

1)                    (Al(OH)3 / 21%) + (3Н3РО4 / 79%) = (Al (H3PO4)3 / 85,5%) + (3Н2О / 14,5%) (алюмофосфатная связка (АФС) -1);

2)                    (Al(OH)2 / 34,6%) + (3Н3РО4 / 65,4%) = (Al (H3PO4)3 / 68,4%) + (6Н2О/31,6%) (алюмофосфатная связка (АФС) – 2).

В наших разработках по синтезированию фосфатных связующих такие технические продукты, как Al(OH)3; СаСО3; MgCO3 и другие были заменены соответствующим шламовым сырьем, а именно, алюмощелочным шламом с самарского металлургического завода, где основная масса представлена гидроксидом Al(OH)3 и карбонатным шламом водоочистки, состоящим в основном из СаСО3.  Химический состав шлама щелочного травления алюминия представлен в таблице 3.

 

Таблица 3 - Химический состав   шлама  щелочного травления алюминия c Самарского металлургического завода

Содержание, масс. %

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

R2O

п.п.п.

44,1

0,8

1,4

6,6

0,58

10,73

35,31

100,32

Синтезирование фосфатной связки на основе карбоната кальция протекает по следующей схеме:

CaCO3(33,8%)+2H3PO4(66,2%)        Ca(H2PO4)2(79%)+H2CO3(21%).

На Самарском металлургическом заводе функционируют современные очистные сооружения по очистке технических сточных вод. В частности, алюмощелочной шлам с целью нейтрализации смешивается с карбонатным в  жидком суспензионном состоянии, а затем после отстоя образующийся осадок отжимается с помощью фильтр-пресса и отправляется на полигон для захоронения. Данный шлам согласно химическому составу относится к алюмокальциевому (табл. 4).

 

Таблица 4 - Химический состав алюмокальциевого шлама с очистных сооружений Самарского металлургического завода

Содержание, масс. %

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

R2O

п.п.п.

8,16

14,6

0,8

26,32

8,24

1,58

1,36

38,88

99,94

 

По способу образования, значениям удельной поверхности частиц, данные шламы можно отнести к нанотехногегнному сырью. Применение шлама щелочного травления алюминия в смеси с ортофосфорной кислотой позволяет получить высококачественные алюмофосфатные связки типа Al(H2PO4)3  Al(H2PO4)3. В результате смешивания шлама с ортофосфорной кислотой происходит экзотермическая реакция между минеральными составляющими нанотехногенного отхода с Н3РО4. Выбор оптимальной концентрации ортофосфорной кислоты и необходимый расход шлама для синтезирования связки производили опытным путем, исходя из полноты взаимодействия порошковой составляющей с жидкостью затворения. Таким образом, применение нанотехногенного сырья в процессах синтезирования фосфатных связок позволило исключить в технологии получения алюмокальцийфосфатной связки весьма сложные химические способы, как восстановление Cr2O3 в производстве АХФС. Для доказательства данной теории нами были проведены эксперименты по применению АХФС и АКФС в составах огнеупорных футеровочных материалов.

 

Список использованных источников

1.      Соколова С.В. Структурно-химическая модификация безобжиговых огнеупоров с целью повышения их стойкости и долговечности // Строительный вестник Российской инженерной академии. Вып. 11.- М., 2010.- С.104-107.

2.      Хлыстов А.И., Соколова С.В., Коннов М.В., Е.А. Чернова, В.А. Широков. Синтезирование фосфатных связующих на основе минеральных шламовых отходов // Огнеупоры и техническая керамика.- М., 2013.- С. 77-30.