Огнеупорная литьевая самотвердеющая масса

 

Изобретение относится к огнеупорным алюмосиликатным массам, предназначенным для изготовления методом литья теплоизоляции водоохлаждаемых труб нагревательных печей прокатных станов, горелочных блоков и монолитной футеровки пола, стен и свода, и может быть использовано для изготовления футеровки печей и ковшей различного назначения. Огнеупорная масса содержит, мас. %: алюмохромфосфатное связующее 8 - 20; алюмосиликатный заполнитель 46 - 53; огнеупорную глину 10 - 11; периклаз 2 - 3; тонкомолотый электрокорунд 14 - 16; вода - остальное. Массу готовят в смесителе с Z - образными лопастями с объемом готового замеса до 200 л. В работающую мешалку засыпают заполнитель, тонкомолотый электрокорунд и глину и перемешивают всухую. Затем заливают алюмохромфосфатную связку плотностью 1,5 г/см³ и воду и перемешивают до равномерного увлажнения. Последним вводят периклаз и перемешивают до равномерности. Огнеупорная масса позволяет значительно увеличить срок службы монолитной теплоизоляции и футеровки за счет повышения ее огнеупорности, термостойкости и прочности от 20°С и до 1300°С. Футеровка из массы имеет начальную прочность до 30 МПа, открытую пористость 20 - 40% и теплопроводность при 800°С до 0,5 Вт/м.к. 2 табл.

Изобретение относится к огнеупорным алюмосиликатным массам, предназначенным для изготовления методом заливки теплоизоляции водоохлаждаемых подовых труб нагревательных печей прокатных станов, и может быть также использовано для изготовления вибролитьем или укладкой горелочных блоков и монолитной футеровки пода, стен и свода печей и ковшей различного назначения.

Известна огнеупорная масса, включающая, мас. Шамот 70-80 Пирофилит 10-15 Алюмохромфосфатное связующее 10-15 Недостатком массы является нетвердение ее в естественных условиях для ее твердения необходим нагрев до 300^оС и выше. Поэтому данный состав не может быть применен для изоляции труб, так как после снятия опалубки масса падает вниз.

Наиболее близкой по составу и назначению к предлагаемой является огнеупорная масса, включающая, мас. Шамотный заполнитель 40-50 Магнезит 10-20 Огнеупорная глина 20-30 Феррохромовый шлак 0,8-1,2 Жидкое стекло плот- ностью 1,37 г/см³ 10-18 Вода До технической влажности Однако данная масса имеет низкую прочность во всем диапазоне температур службы бетона, начиная от обычных и до высоких Так, бетон имеет начальную прочность 4,2 МПа и может разрушиться уже при снятии опалубки При нагреве свыше 120^оС из-за испарения воды прочность бетона снижается и достигает минимального значения 4,2 МПа при 500-700^оС, когда происходит полиморфное превращение в жидком стекле β-кварц переходит в α-кварц. При 800-1000^оС бетон достигает максимальной прочности 7,2 МПа. При температуре свыше 900-1000^оС из-за появления большого количества расплава жидкого стекла прочность начинает снижаться. При 1100-1150^оС прочность снижается в два раза, а при 1200-1300^оС бетон разрушается.

Футеровка из этой массы имеет низкую огнеупорность 1490-1500^оС, а температуру разрушения под нагрузкой 0,2 МПа 1150-1250^оС.

Недостатком массы является и весьма низкая термостойкость 3 теплосмены при 1200^оС вода, что связано с низкой прочностью бетона при 200-700^оС и полиморфными превращениями в окиси кремния.

Прочность и термостойкость бетона также снижают и тонкомолотый магнезит MgCO₃, который очень активно начинает разлагаться при температуре свыше 500^оС на окись магния MgO и углекислый газ CO₂, что приводит к разрыхлению структуры.

Задача изобретения увеличение срока службы бетона за счет повышения его огнеупорности, термостойкости и прочности во всем диапазоне температур от обычных и до высоких.

Огнеупорная литьевая самотвердеющая масса, включающая алюмосиликатный заполнитель, огнеупорную глину, магнийсодержащий компонент, добавку и связующее, содержит в качестве магнийсодержащего компонента периклаз, в качестве добавки тонкомолотый электрокорунд, в качестве связующего алюмохромфосфатное связующее и дополнительно воду при следующем соотношении компонентов, мас.

Алюмохромфосфатное связующее 8-20 Алюмосиликатный запол- нитель 46-53 Огнеупорная глина 10-11 Периклаз 2-8 Тонкомолотый элект- рокорунд 14-16 Вода Остальное Твердение массы происходит при обычных температурах, так как окись магния (периклаз) активно вступает в реакцию с ортофосфорной кислотой, содержащейся в алюмохромфосфатной связке (АХФС). Реакция сопровождается выделением тепла. В результате реакций в осадок выпадают нерастворимые в воде сложные кристаллы алюмохроммагний-фосфатов, двух- и трехзамещенного фосфатов магния и выделяются газообразные кислород и водород по реакции MgO + H₃PO₄+3H₂O -> MgHPO₄·3H₂O + H + O
Газообразные кислород и водород в виде пузырьков частично выходят в атмосферу и частично остаются внутри застывшей массы, образуя мелкие поры вокруг зерен заполнителя, что, как известно, повышает термостойкость бетона и уменьшает его теплопроводность.

При проведении опытов по разработке массы и изготовлении теплоизоляции подовых труб, горелочных блоков и монолитной футеровки было установлено следующее.

Для хорошего заполнения весьма узкого пространства (50-100 мм) между опалубкой и трубами необходима масса жидкоподвижной консистенции, которая наступает тогда, когда сумма воды и АХФС равна 21-22% Для изготовления блоков или футеровки методом вибролитья или укладкой со штыкованием необходимо, чтобы сумма жидкости была 16-18%
При вводе в массу менее 2% периклаза фракции менее 0,2 мм и менее 8% АХФС плотностью 1,5 г/см³ при минимальном количестве воды в 10% масса не твердеет более 16 ч и через 72 ч выдержки в естественных условиях имеет прочность менее 6 МПа. При содержании в массе более 8% периклаза и содержании АХФС более 8% при соответствующем количестве воды масса имеет время до начала твердения менее 30 мин и схватывается при заливке опалубки или даже в мешалке. При вводе в массу более 20% АХФС свойства бетона не улучшаются и экономически нецелесообразно.

Для повышения текучести и уменьшения количества воды масса содержит 10-11% огнеупорной основной пластичной глины. При вводе в массу более 11% глины усадка обожженного бетона превышает предельно допустимую норму в 2% для теплоизоляционных бетонов. Кроме того, огнеупорная глина из-за своей дисперсности и химического состава с АХФС образует твердые соединения уже при нагреве до 100-150^оС, повышая тем самым прочность бетона.

Тонкомолотый электрокорунд повышает огнеупорность массы, так как фосфаты алюминия имеют температуру плавления до 2050^оС. Кроме того, при высоких температурах корунд вступает в реакцию с кремнеземом глины и заполнителя с образованием термостойкого высокоогнеупорного соединения муллит 3Al₂O₃ ˙ 2SiO₂. Эта реакция сопровождается некоторым увеличением объема, что уменьшает усадку бетона. Количество электрокорунда определено как необходимое количество для связывания кремнезема глины в муллит с некоторым избытком, вводить более 16% электрокорунда нецелесообразно, так как он очень дорогой.

Кроме роли отвердителя, периклаз в форме фосфатных соединений при высоких температурах по мере испарения P₂O₅ образует с корундом, АХФС, огнеупорной глиной и алюмосиликатным заполнителем высокоогнеупорные, термостойкие и окалиноустойчивые соединения: шпинель MgO x x Al₂O₃(t_пл=2135^оС), шпинель MgO ˙ Cr₂O₃ (t_пл= 2330^оС) и форстерит 2MgO ˙ SiO₂(t_пл=1890^оС). Применять необходимо молотый спеченый или электроплавленый периклаз.

В табл.1 приведены составы огнеупорных литьевых самотвердеющих масс, а в табл. 2 свойства бетонов из этих масс, определенных на образцах диаметром 45 мм и высотой 60 мм.

Как видно из данных табл.2, бетон с шамотным заполнителем и содержанием периклаза 2-8% АХФС 8-20 и воды 2-10% после трех суток твердения в естественных условиях имеет прочность на сжатие 7,2-13,3 МПа, что в 1,7-3,2 раза выше прочности у массы-прототипа.

После сушки при 120^оС прочность бетона возрастает примерно на 15% а после сушки при 400^оС на 30% по сравнению с сырым состоянием. Упрочнение бетона обусловлено тем, что избыточная АХФС при указанных температурах образует твердые соединения с огнеупорной глиной, корундом и зернами шамота.

Сушка при 800^оС приводит к снижению прочности бетона на 10-18% по сравнению с прочностью при 400^оС, что, как известно, связано с берлинитовым эффектом, когда γ-берлинит AlPO₄ переводит в форму β-тридифита. Несмотря на некоторое разупрочнение прочность данного бетона в диапазоне температур 800^оС значительно выше прочности известного состава.

При дальнейшем повышении температуры снова начинается упрочнение бетонов за счет образования сложных по составу фосфатных соединений, в том числе и легкоплавких, которые ускоряют процесс замены химических связок на керамическую. Поэтому спекание зерен и интенсивное упрочнение начинается при довольно низких температурах 1000-1100^оС и после обжига при 1300^оС прочность шамотных бетонов составляет 13,2-20,4 МПа.

Предлагаемый бетон с шамотным заполнителем в зависимости от количества АХФС имеет огнеупорность 1620-1680^оС, температуру начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа 1220-1300^оС и может применяться в печах с температурой до 1300^оС. Известный же бетон, как показали опыты, из-за своей низкой огнеупорности (1500^оС) имеет температуру начала деформации 1100^оС и максимальную температуру службы 1150^оС. Поэтому его термостойкость определялась при 1200^оС, так как при 1300^оС образцы разваливаются в печи.

Разработанный бетон с шамотным заполнителем, несмотря на высокую открытую пористость (32-40% ) имеет высокую термостойкость 10-14 теплосмен при 1300^оС вода против 3 теплосмен при 1200^оС вода из бетона из массы-прототипа.

При использовании вместо шамотного заполнителя муллита прочность и термостойкость возрастают на 10-20% а огнеупорность до 1710-1760^оС. Еще более высокие свойства имеют бетоны с корундовым заполнителем их огнеупорность 1750-1780^оС и выше. Бетоны с муллитовым заполнителем рекомендуется применять в печах с температурой до 1400^оС и сильным окалинообразованием, а с корундовым заполнителем в печах с температурой до 1500-1550^оС.

Массу готовят в смесителе с Z-образными лопастями с объемом готового замеса до 200 л. В работающую мешалку засыпают заполнитель, тонкомолотый электрокорунд и глину и перемешивают всухую. Затем заливают АХФС плотностью 1,5 г/см³ и воду и перемешивают до равномерного увлажнения. Последним вводят периклаз и перемешивают до равномерности.

П р и м е р 1. В нагревательной печи с шагающими балками производительностью до 300 т/ч в сварочной зоне N 2 с рабочей температурой до 1250^оС была нанесена опытная изоляция толщиной 70 мм из массы N 3 с шамотным заполнителем, а в сварочной зоне N 4 с рабочей температурой до 1350^оС из массы N 6 с муллитовым заполнителем. Открытая пористость бетонов была равна 38-40% Через 18 месяцев эксплуатации глубина проникновения окалины в бетон составила 5-10 мм, изоляция сохранилась на 90% и продолжала служить. Изоляция же из известного состава на жидком стекле при 1100-1200^оС разрушается через 2-6 месяцев и почти на всю толщину пропитывается и разрыхляется окислами железа.

П р и м е р 2. Из состава N 9 с корундовым заполнителем методом вибролитья были изготовлены 12 горелочных блоков с размерами 800х600х700 мм и отверстием диаметром 275 мм для боковых горелок нагревательной печи. Блоки имели начальную прочность 30 МПа, а после обжига при 1300^оС-51,3 МПа и открытую пористость 20% По свойствам они соответствуют высокоглиноземистым изделиям заводского производства по ГОСТ 24700-81. После 18 месяцев службы при 1350-1400^оС блоки следов разрушений не имеют.

Таким образом, теплоизоляция и монолитная футеровка, изготовленная из предлагаемой массы, за счет более высокой огнеупорности, термостойкости и прочности при температурах от 20 и до 1300^оС имеют значительно более высокий срок службы, чем известные составы. Для получения прочных и плотных блоков и футеровок необходимо использовать метод вибролитья или уплотнения штыкованием.

Кроме того, особенностью разработанной массы является низкая ее теплопроводность и соответственно высокие теплоизоляционные свойства, так как открытая пористость бетонов в зависимости от состава 30-40% По пористости эти бетоны занимают промежуточное положение между низкоплотными огнеупорами (пористость до 30%) и высокопористыми теплоизоляционными изделиями (открытая пористость свыше 50%). Так, например, теплоизоляция подовых труб толщиной 70 мм и открытой пористостью 40% с шамотным заполнителем имеет среднюю теплопроводность 0,5-0,6 Вт/м ˙ К и тепловые потери 5-8 кВт/м² в зависимости от места установки в печи против 80-150 кВт/м² при неизолированных трубах.

Применение предлагаемой массы особенно для изоляции подовых труб позволяет значительно увеличить срок ее службы и получить большую экономию топлива. Кроме того, эффективная изоляция подовых труб улучшает теплообмен в печи, повышает ее производительность на 20-25% уменьшает окалинообразование и величину "темных" пятен в слябах и снижает расходы на ремонты.

Формула изобретения

ОГНЕУПОРНАЯ ЛИТЬЕВАЯ САМОТВЕРДЕЮЩАЯ МАССА, включающая связующее, алюмосиликатный заполнитель, огнеупорную глину, магнийсодержащий компонент, добавку и воду, отличающаяся тем, что она в качестве связующего содержит алюмохромфосфатное связующее, в качестве магнийсодержащего компонента - периклаз и в качестве добавки - тонкомолотый электрокорунд при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюмохромфосфатное связующее - 8 - 20
Алюмосиликатный заполнитель - 46 - 53
Огнеупорная глина - 10 - 11
Периклаз - 2 - 8
Тонкомолотый электрокорунд - 14 - 16
Вода - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1