УДК 666  

СТРУКТУРНО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ШАМОТНОГО И МУЛЛИТОВОГО ОГНЕУПОРОВ ПРИ ПОМОЩИ АЛЮМОФОСФАТНЫХ СВЯЗОК

 

STRUCTURAL-CHEMICAL MODIFICATION OF CHAMOTTE AND MULLITE REFRACTORIES USING ALUMINOPHOSPHATE LIGAMENTS

 

Соколова С.В., Ненашев В.O. (Самарский государственный университет путей сообщения, г. Самара, РФ)

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

 

 Установлена возможность применения высокоглиноземистого шлама в процессах синтезирования жидких алюмофосфатных связок. Применение алюмофосфатной связки в технологии структурно-химической модификации шамотного и муллитового огнеупора позволило значительно увеличить их эксплуатационные показатели.

The possibility of using high-alumina grog in the process of synthesizing liquid aluminophosphate ligaments. Application aluminophosphate binder in the technology of structural and chemical modification of fireclay and mullite refractory significantly increase their operational performance.

 

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

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

 

В настоящее время футеровка тепловых агрегатов выполняется преимущественно из различных штучных огнеупорных изделий, что требует больших затрат ручного труда и не обеспечивает высокого качества. Поэтому, в последнее время для защиты футеровки различных тепловых агрегатов во все возрастающем объеме применяют огнеупорные обмазки, представляющие собой жаростойкие растворы. Их нанесение на футеровку, выполненную из штучных огнеупоров, позволяет свести до минимума количество швов, повысить стойкость и увеличить срок ее службы. Проверку влияния пропитки заполнителей и шамотной основы футеровки ортофосфорной кислотой на их физико-механические свойства осуществляли на образцах 50х50х50 мм, которые выпиливались из шамотного кирпича класса ША. Пропитку образцов производили в естественных условиях Н3РО4 70%-ной концентрации в стеклянном сосуде в течение 24 часов. Результаты испытаний, приведенные в таблице 1, показывают, что пропитка шамота положительно влияет на их термомеханические свойства [1].

 

Таблица 1 - Влияние пропитки ортофосфорной кислотой и последующего нагрева  алюмосиликатного огнеупора на его физико-механические свойства

 

Заполнитель

Средняя плотность ρ, г/см3 в числителе и предел прочности при сжатии (R), МПа

в знаменателе образцов огнеупора после   термообработки при 2000С и последующего нагрева до температуры, 0С.

200

500

800

1000

1200

1500

Шамот  не подвергнутый пропитке

1,93/20,60

2,01/19,70

2,08/23,70

2,05/20,80

2,03/19,60

2,08/29,60

Шамот   пропитанный   H3PO4

2,15/47,60

2,18/41,00

2,10/36,80

2,12/34,00

2,10/39,50

2,00/40,70

          

С целью усовершенствования технологического процесса структурно-химической модификации штучных керамических огнеупоров ортофосфорная кислота была заменена водорастворимой алюмофосфатной связкой. Известно, что жидкие алюмофосфатные связки типа Al(H2PO4)3 и  Al2(HPO4)3  в процессе нагревания обезвоживаются, кристаллизуются и превращаются в стабильный минерал кристобафит AlPO4. Схема химических превращений жидких алюмофосфатных связок в кристаллический AlPO4 представлена формулой (1).

 

Таким образом, для структурно-химической модификации штучных шамотных огнеупоров избран более эффективный способ образования в порах керамики  кристаллов AlPO4. Для  большего заполнения пористого пространства керамических огнеупоров раствором алюмофосфатной связки используется такой технологический прием, как их пропитка с помощью вакуумной камеры. При разряжении в камере в величину 20 мм. рт. ст. из открытых пор керамического огнеупора полностью удаляется воздух, а поровое пространство заполняется жидкой алюмофосфатной связкой.

Дальнейшая термообработка пропитанных с помощью вакуума керамических огнеупоров приводит к получению совершенно новой огнеупорной продукции – модифицированных алюмосиликатного или высокоглиноземистого (муллитового) кирпичей с повышенными физико-термическими  параметрами.

Жидкие водорастворимые алюмофосфатные связки с различной степенью замещения получают в промышленности путем применения технического гидроксида алюминия Al(OH)3 и ортофосфорной кислоты. При этом происходят следующие реакции:

 

        

Дальнейшее совершенствование технологии структурно-химической модификации было связано с заменой технического гидроксида алюминия в процессе синтезирования жидких алюмофосфатных связок таким нанотехногенным сырьем, как высокоглиноземистый шлам щелочного травления алюминия – отход Самарского металлургического завода.

Химический состав шлама щелочного травления алюминия представлен в таблице 2.

 

Таблица 2 -Химический состав шлама щелочного травления алюминия

Содержание, масс. %

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

SO3

R2O

п.п.п.

0,39

53,59

0,99

4,9

8,03

2,61

29,94

100,45

 

Свежеосажденный шлам представляет собой консистенцию в виде жидкотекучей  сметаны. Присутствующая в шламе влага понижает до необходимой концентрацию ортофосфорной кислоты в процессе их перемешивания. Применяя составляющие пропорции между сырьевыми компонентами, указанными в формулах 2 и 3 появляется возможность получения жидких однозамещенной или двузамещенной фосфатных связок за счет активной экзотермической реакции между шламом и ортофосфорной кислотой.  В этой связи в данной работе было изучено влияние пропитки штучных огнеупоров различными фосфатными связками на их физико-механические свойства. Проверку влияния пропитки штучных огнеупоров фосфатными связками на их физико-механические свойства осуществляли на образцах 30х30х30мм, а также 50х50х50 мм, которые выпиливались из шамотного кирпича класса ША и образцах 70х70х70 мм, выпиленных из высокоглиноземистого муллитового кирпича МЛС-62. Пропитку образцов производили в естественных условиях и вакуумированием различными составами фосфатных связок. Образцы пропитывались в стеклянных сосудах в течение от 24 часов до 7 суток. Вакуумирование образцов производились в течении 10,15 и 20 мин.

После пропитки образцы подвергали нагреву до температуры 4000С, с выдержкой в течение 1 часа. Схема проведения экспериментов по модифицированию штучных керамических огнеупоров представлена на рисунке 1. Данные по прочности на сжатие по одному виду связки определялись на основе испытания пяти образцов [2].

Пропитка 2

Рисунок 1 - Схема приведенных экспериментов по модифицированию штучных огнеупоров

 

Из рентгенограмм, представленных на рисунке 2, видно, что в пропитанных образцах шамота после обжига образуется минерал кристобафит AlPO4.

диаграммы

1 – не пропитанный шамот; 2- шамот пропитанный АФС. Условные обозначения: м – муллит, кв – кварц, кркристобалит, крбкристобафит

 

Рисунок 2- Рентгенограммы образцов шамота не пропитанных и  пропитанных АФС и обожженных при температуре 8000С

 

Наличие этого вещества существенно повышает огнеупорность керамических огнеупоров.

 

Список использованных  источников

1.     Хлыстов А.И., Соколова С.В. О службе шамотных огнеупоров в футеровке керамзитообжигательных печей // А. И. Хлыстов, С.В. Соколова. Огнеупоры и техническая керамика. 2007. №5. С.41-44.

2.    Хлыстов А.И., Соколова С.В., Баранова М.Н.,  Коннов М.В., Широков В.А.  Совершенствование технологии применения пропиточно-обмазочных составов и структурно-химической модификации алюмосилиткатных огнеупоров // Огнеупоры и техническая керамика. 2015. №10. С.48-55.