УДК 666 

 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ЖАРОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИЙ   С ЦЕЛЬЮ МОДИФИКАЦИИ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ И ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТЫХ ОГНЕУПОРОВ

 

IMPROVEMENT OF TECHNOLOGY OF APPLICATION OF HEAT-RESISTANT COMPOSITIONS WITH THE PURPOSE OF THE MODIFICATION OF ALUMINOSILICATE AND REFRACTORY

 

СоколоваС.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)

 

 Получение жаростойких композиций с расширяющимся эффектом имеет большое значение, так как их применение в технологиях ремонта футеровок тепловых агрегатов значительно увеличит их долговечность.

Obtaining refractory compositions with the expanding effect is of great importance because of their application in technologies for repair of linings of thermal aggregates will significantly increase their durability

 

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

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

 

В настоящее время значительно увеличилась область применения пластичных растворных композиций с расширяющимся эффектом при ремонте не только различных зданий и сооружений, но и спецсооружений, в том числе футеровок тепловых агрегатов. В результате этого эффекта адгезия ремонтных масс к поверхностям, на которые они наносятся, достигает  значительных величин, что положительно сказывается на долговечности реставрационного участка.

Получение жаростойких композиций с расширяющимся эффектом имеет большое значение, так как их применение в технологиях ремонта футеровок тепловых агрегатов значительно увеличит их долговечность.

Жаростойкие композиции на жидком стекле являются весьма эффективными, широкое распространение которых определяется, прежде всего, высокими прочностью и термической стойкостью, а также простотой технологии [1, с.31].

Расширяющийся эффект в композициях на жидком стекле возможно получить путем введения в их составы добавок тонкодисперсного металлического алюминия различного химического состава.

Рост объема продуктов реакции и небольшое выделение водорода при  взаимодействии металлического алюминия с щелочным силикатом в процессе твердения и нагревания с химической точки зрения можно объяснить следующим образом.

Щелочные силикаты могут реагировать с металлами. Эта способность обусловливает присутствие в водном растворе (жидком стекле) гидролитически расщепленной едкой щелочи.

Гидролиз натриевого жидкого стекла происходит по уравнению:

Na2O*nSiO+mH2O → 2NaOH+nSiO*(n-1)H2О (1)

Образовавшаяся щелочь реагирует с алюминием и другими металлами, а так же с порошком элементарного кремния по  уравнениям:

2Al+2NaOH+6H2O→ 3H2 ↑+2Na[Al(OH)4] (2)

3(Na2O*SiO2)+2Al+3H2O → 2Al(ONa)3+3SiO2+3H2↑ (3)

Si+2NaOH+H2O → NaO*SiO2+2H2 ↑ (4)

Таким образом, в первый момент контакта жидкого стекла с алюминийсодержащим компонентом начинается процесс его растворения в едкой щелочи по реакциям (2) и (3). При этом,  положительно заряженные ионы Al3+ вызывают концентрацию отрицательно заряженных коллоидных частиц SiO44- .  Метастабильный кремнезем превращается в устойчивый кремнегель, выделяющийся в виде защитной пленки на поверхности металлического алюминия. Действие щелочи замедляется и в дальнейшем полностью прекращается.

Многочисленные авторы работают над проблемой снижения усадки и повышения трещиностойкости, а также термостойкости жаростойких композиций в футеровках печей для плавки алюминия. Одним из путей решения этой проблемы может быть применение жидкостекольных составов с расширяющимся эффектом. Введение в состав жаростойких композиций алюминия в виде тонкомолотой добавки, в качестве которой можно использовать отработанные алюминиевые отходы, образующиеся при обработке сплавов МГ, АМГ и др. позволяет получить процесс увеличения объема ремонтных масс. В настоящей работе опробованы следующие алюминиевые отходы Самарского металлургического завода: отработанная дробь с установки Гутмана цеха №2, алюминиевые опилки того же цеха, пыль из циклона  цеха №1. С целью выбор вида алюминиевого отхода, в наибольшей степени снижающего усадку, были приготовлены составы раствора на жидком стекле без добавки и с перечисленными добавками алюминия в количестве от 1,5 до 2,5%.

Предварительно алюминиевые опилки рассеивали через сито с отверстием 1 мм и, в дальнейшем, использовали фракцию размером  0,14-1 мм. Составы растворов на жидком стекле с различными расходами алюминиевых опилок приведены в таблице 1, а результаты термомеханических испытаний в таблице 2.

 

Таблица 1- Составы жаростойких растворов на жидком стекле

Компоненты раствора

Содержание компонентов масс % для составов

1

2

3

4

Жидкое стекло плотностью 1,36 г/см3

Na2SiF6

 Шамот фракции 0-5 мм

Тонкомолотый магнезит

Алюминиевые опилки (отходы)

15,0

1,2

55,0

28,8

-

15,0

1,2

55,0

28,8

1,0

15,0

1,2

55,0

28,8

2,0

15,0

1,2

55,0

28,8

2,5

 

Таблица 2-Термодинамические свойства жаростойких растворов на жидком стекле

№ составов

Плотность бетона, кг/м3 высушенного при 1000С

Пределы прочности на сжатие, МПа при температурах 0С

Усадка, % при температуре 12000С

Термостойкость по методике Гобериса С.Ю.

100

400

800

1200

1

2

3

4

2133

2137

2114

2132

35,4

35,5

34,8

35,0

36,0

36,5

34,5

37,7

30,5

30,6

43,4

38,4

22,8

29,6

36,2

39,1

-0,3

+1,5

+2,0

+3,0

0,69

0,67

0,7

0,8…0,9

 

Введение алюминиевых отходов в составах растворов на жидком стекле положительно влияет на их прочность при температурах 800-12000С, повышает термическую стойкость и снижает огневую усадку. Наилучшие результаты по совокупности этих свойств достигнуты для состава 4, в котором была введена алюминиевая дробь с установки Гутмана цеха №2. На термическую стойкость образцов влияет химический состав обрабатываемого алюминиевого сплава, а также количество добавки. Оптимальным принято содержание алюминиевой дроби в количестве 2-2,5% сплава АГМ. При этом, относительная термостойкость возрастает с 0,70 до 0,9, а увеличение объема при температуре 12000С составляет до 11%.

Таким образом, для ремонта футеровки тепловых анрегатов рекомендуется следующий состав, масс %: жидкое стекло, ρ= 1,36 г/см3 – 15,0%; Na2SiF6 - 1,2%; шамот фракции 0-5 мм – 55%; тонокмолотый магнезит – 28,0%; алюминиевые опилки -2-2,5%.

После трехсуточного твердения ремонтых участков футеровок тепловых агрегатов рекомендуется провести сушку всей футеровки при температуре 100-1200С.

С целью усовершенствования технологического процесса структурно-химической модификации штучных керамических огнеупоров, а также некоторых жаростойких бетонов, ортофосфорная кислота была заменена водорастворимой алюмофосфатной и алюмокальцийфосфатной связками[2, с. 49]. Известно, что жидкие алюмофосфатные связки типа Al(H2PO4) 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:

Alm(HnPO4)p  → 175-2000С аморфная фаза  → 400-5000С

Al(PO3)3 +P2O5↑ →500-9000С AlPO4+P2O5↑ (5).

Таким образом, для структурно-химической модификации штучных шамотных огнеупоров и жаростойких композитов (растворы и бетоны) избран более эффективный способ образования в порах AlPO4[3, с. 78].

После сушки ремонтного слоя футеровки также рекомендуется с целью повышения ее долговечности провести обработку (пропитку) поверхности всей футеровки, жидкими алюмофосфатной или  алюмокальцийфосфатной связками. Данные связки синтезируются с помощью ортофосфорной кислоты с применением такого нанотехногенного сырья, как высокоглиноземистый шлам щелочного травления алюминия и алюмокальциевый шлам с очистных сооружений. Данное нанотехногенное сырье образуется также на Самарском металлургическом заводе в большом количестве.

Химический состав шлама щелочного травления алюминия представлен в таблице 3.

 

Таблица 3- 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

Применяя составляющие пропорции между сырьевыми компонентами появляется возможность получения жидких однозамещенной или двузамещенной фосфатных связок за счет активной экзотермической реакции между шламом и ортофосфорной кислотой.  

 

Список использованных источников

1.      Хлыстов А.И., Соколова С.В., Власов А.В. Повышение эффективности жаростойких композитов за счет применения химических связующих // Технологии бетонов.- 2014.- № 2.- М.: С. 46-52.

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.-М.:С.48-55.

3.      Хлыстов А.И., Соколова С.В., Коннов М.В., Е.А. Чернова, Широков В.А.  Синтезирование фосфатных связующих на основе минеральных шламовых отходов // Огнеупоры и техническая керамика.- 2013.- № 7-8.- М: С.77-80.