Сырьевая смесь для изготовления жаростойких теплоизоляционных плит и способ изготовления плит

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления высокотемпературной (до 1000°С) теплоизоляции в виде плит промышленного оборудования, в частности для футеровки катодной части электролизеров для производства алюминия. Задачей является сокращение материальных затрат при изготовлении плит, улучшение экологических и технологических условий их формования, улучшение эксплуатационных характеристик материала. Сырьевая смесь для изготовления жаростойких теплоизоляционных плит, включающая вспученный вермикулит и огнеупорную добавку, дополнительно содержит жидкое стекло. В качестве огнеупорной добавки используют мелкодисперсный материал с огнеупорностью не менее 1300°С и размером частиц не более 100 мкм. Сырьевая смесь дополнительно содержит минеральное волокно. Способ изготовления жаростойких теплоизоляционных плит включает смешивание вермикулита с жидким стеклом и добавкой и последующее прессование. Предварительно готовят смесь жидкого стекла с огнеупорной добавкой, которой затем затворяют вермикулит. Прессование плит осуществляют при нормальной температуре (10-30°С), давлении 0,5-1,5 МПа в течение 1-2 мин с последующей сушкой плит до влажности не более 3%. После прессования плит осуществляют их отверждение продувкой углекислым газом в течение 10-60 с при давлении 1-4 атм. Для сушки плит используют источники ТВЧ- или СВЧ-энергии. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления высокотемпературной (до 1000^oC) теплоизоляции в виде плит промышленного оборудования, в частности для футеровки катодной части электролизеров для производства алюминия.

Данное изобретение может быть использовано для производства материалов в виде плит, сочетающих низкую теплопроводность (0,1 Вт/м·К) с высокой термостойкостью (предельная температура применения 1100^oC).

Известна композиция для изготовления тепловой изоляции (3), включающая, мас.%: Вермикулит - 48-68 Жидкое стекло - 23-37 Вода - 7-9 Силикатные отходы нефтехимического синтеза - 1-3 Алкилсиликонат натрия - 1-3 Ее недостатком является высокая объемная масса (800 кг/м³) и недостаточно низкая теплопроводность.

Известна сырьевая смесь для изготовления теплоизоляции (4), включающая, мас.%: Вспученный вермикулит - 35-59 Растворимое стекло - 29-39 Алкилсиликонат натрия - 1-4
Перлит - 11-18
Ее недостатками являются использование органического алкилсиликоната натрия, что снижает температуру применения (до 650^oC), высокое содержание жидкого стекла и использование перлита, что снижает алюмофобность материала.

Наиболее близким техническим решением по сущности и достигаемому техническому результату в части состава сырьевой смеси является широкоизвестный температуростойкий (до 1000^oC) теплоизоляционный материал керамовермикулит (1), применяемый, в частности, в алюминиевой промышленности и не смачивающийся расплавами алюминия, что обусловлено химической стойкостью исходных сырьевых материалов. Материал изготавливается из вспученного вермикулита объемной массы не более 100 кг/м³ и фракции 0-5 мм с содержанием фракции менее 0,6 мм не более 20% и огнеупорной бентонитовой глины с числом пластичности не менее 18 в соотношении 1:1 по массе. Способ изготовления керамовермикулита заключается в: смешении вермикулита с предварительно приготовленным глиняным шликером плотностью 1,14-1,18 г/см³; прессовании сырьевой смеси с влажностью примерно 90% в прессе экструзионного типа, где смесь уплотняется в 1,8 раза; сушке сырьевых брикетов в тоннельном сушиле в течение 19-21 ч при 100-250^oC до конечной влажности 3%; обжиге в обжиговой печи по режиму - подъем температуры 6 ч, обжиг при 1000^oC 1 ч, охлаждение 3 ч (общее время нахождения в обжиговой печи 10 ч). Для получения плит точных размеров (толщина плит с точностью ±1 мм) необходима дополнительная операция шлифования плит. Свойства получаемых керамовермикулитовых плит: объемная масса 300-400 кг/м³, прочность при сжатии - 0,5-1,0 МПа, коэффициент теплопроводности при 20^oC - 0,08-0,1 Вт/(м·К), при 400^oC - 0,14 - 0,17 Bт/(м·К), температурная усадка при 900^oC - 2%, смачиваемость расплавом алюминия - не смачивается.

Недостатком данного материала является значительная трудоемкость его производства и высокая себестоимость.

Наиболее близким техническим решением в части способа получения является способ получения теплоизоляционно-конструкционного материала (5) из вспученного вермикулита путем смешивания его с жидким стеклом и добавкой и последующего горячего прессования, где с целью повышения эксплуатационных характеристик и производительности за счет снижения продолжительности изготовления в смесь вводят отвердитель и вспученный вермикулит фракции 1-10 мм с содержанием в нем фракции 1,25-3,5 мм от 20 до 85%, а прессование осуществляют при 100-170^oC и давлении 1,0-2,0 МПа в течение 1-2 мин с последующей изотермической выдержкой в течение 2-5 мин на 1 см толщины изделий при снятом давлении при сохранении объема (5).

Недостатками данного способа является невозможность его использования для изготовления плит толщиной более 25 мм, так как значительно увеличивается (в десять и более раз) время прессования плит вследствие низкой теплопередачи в толстом слое теплоизоляционного материала, использование сложного оборудования - прессов с электрообогревом, применение отвердителей, которые являются экологически вредными веществами, выделяющими в процессе отверждения связующего газообразные токсичные продукты вместе с паровоздушной смесью при прессовании материала.

Кроме того, при применении отвердителей в составе сырьевой смеси, она сохраняет способность к формованию ("живучесть" смеси) в течение лишь 15-20 мин, что ухудшает технологические условия формования плит.

Технической задачей изобретения является сокращение материальных затрат при изготовлении плит, улучшение экологических и технологических условий их формования, улучшение эксплуатационных характеристик материала.

Задача решается тем, что сырьевая смесь для изготовления жаростойких теплоизоляционных плит, включающая вспученный вермикулит и огнеупорную добавку, в качестве которой используют мелкодисперсный материал с огнеупорностью не менее 1300^oC и размером частиц не более 100 мкм, дополнительно содержит жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.% на сухое в-во:
Жидкое стекло - 8-22
Огнеупорная добавка - 8-30
Вспученный вермикулит - Остальное
В качестве огнеупорной добавки к вышеуказанным материалам дополнительно используют минеральное волокно в количестве 1-10 мас.% от сухой массы сырьевой смеси.

Способ изготовления жаростойких теплоизоляционных плит, включающий смешивание вспученного вермикулита с жидким стеклом и добавкой и последующее прессование, отличается тем, что предварительно готовят смесь жидкого стекла с огнеупорной добавкой с огнеупорностью не менее 1300^oC и размером частиц не более 100 мкм, которой затем затворяют вермикулит, а прессование плит осуществляют при нормальной температуре (10-30^oC), давлении 0,5-1,5 МПа в течение 1-2 мин с последующей сушкой плит до влажности не более 3%.

После прессования плит осуществляют их отверждение продувкой углекислым газом в течение 10-60 с при давлении 1-4 атм.

Для сушки плит используют источники ТВЧ- или СВЧ-энергии.

Таким образом, при введении в состав сырьевой смеси жидкого стекла становится возможным изготовление жаростойкого теплоизоляционного материала, стойкого к криолито-глиноземным расплавам и расплавам алюминия по упрощенной технологии - без обжига в обжиговой печи и операции шлифования плит.

Вермикулит вследствие своего химического состава и строения кристаллизационной решетки не смачивается криолито-глиноземными расплавами и расплавами алюминия, т.е. проявляет алюмофобные свойства.

По способу изготовления сначала готовится смесь жидкого стекла с огнеупорной добавкой, которая является гетерогенным составом с малым размером твердых частиц - менее 100 мкм. При затворении гранул вермикулита они равномерно обволакиваются раствором связующего с мелкодисперсным огнеупорным наполнителем, что способствует прочному склеиванию частиц между собой вследствие коагуляции связующего при дальнейшем прессовании, обеспечивая плотную упаковку частиц материала с высокими физико-механическими свойствами.

Дополнительное введение диспергированных в растворе связующего минеральных волокон упрочняет структуру материала.

Таким образом, формирование прочной структуры материала возможно и без использования веществ - отвердителей жидкого стекла в составе сырьевой смеси, которые в своем большинстве являются экологически вредными веществами и которые необходимы в известном способе производства.

В изобретении сушка и формирование структуры плит осуществляются не во время прессования между двумя нагретыми поверхностями, где отвод паровоздушной смеси происходит только с торцов материала, а во время сушки в тепловом агрегате. Отвод влаги происходит в этом случае как с поверхности, так и с торцов плит, что наиболее целесообразно для изготовления теплоизоляционных плит большой толщины (более 25 мм), в которых вследствие плохих теплопроводящих свойств отвод влаги сильно затруднен.

При продувке отпрессованных плит углекислым газом происходит окончательная коагуляция жидкого стекла и связывание щелочи в гидрокарбонаты, при этом возрастает термостойкость материала, связующее прочно закрепляется на гранулах вермикулита в виде пленки. При этом отпрессованная и продутая углекислым газом плита приобретает достаточную механическую прочность для дальнейших технологических переделов.

Окончательное формирование структуры материала происходит при сушке до конечной влажности не более 3% в тепловом агрегате (электрической или газовой печи). При использовании источников ТВЧ- или СВЧ-энергии значительно сокращается время сушки вследствие быстрого разогрева связующего, являющегося сильным электролитом.

При содержании жидкого стекла в сырьевой смеси менее чем 8% не обеспечивается требуемая механическая прочность плит, содержание жидкого стекла более 22% приводит к снижению термостойкости (увеличению температурной усадки).

При содержании огнеупорной добавки менее 8% не обеспечивается требуемая величина дополнительной усадки, при содержании более 30% снижаются алюмофобные свойства.

При применении огнеупорной добавки с огнеупорностью менее 1300^oC не достигается термоустойчивость плит при температурах до 1000^oC, при размерах частиц огнеупорной добавки более 100 мкм не достигается требуемая термостойкость и механическая прочность плит.

При использовании дополнительной огнеупорной добавки в виде минерального волокна увеличивается механическая прочность плит, при содержании минерального волокна менее 1% эффект увеличения прочности не заметен, введение более 10% экономически нецелесообразно.

При заявляемом порядке смешения заявляемых компонентов сырьевой смеси (приготовление раствора связующего - смеси жидкого стекла с огнеупорной добавкой в отдельном смесительном аппарате) обеспечивается прочное сцепление частиц вермикулита между собой после прессования, что позволяет получать материал с требуемыми физико-механическими свойствами.

При давлении менее 0,5 МПа не обеспечивается уплотнение сырьевой смеси для достижения требуемых физико-механических характеристик материала. Давление свыше 1,5 МПа не требуется для изготовления данных плит.

При прессовании менее 1 минуты частицы вермикулита не успевают склеиться между собой и при снятии давления материал разрыхляется; увеличение времени прессования более чем на 2 мин экономически нецелесообразно.

Предел прочности при сжатии отпрессованных без дополнительной продувки углекислым газом плит до сушки равен 0,1-0,2 МПа, что затрудняет их механизированную транспортировку до сушила (плиты требуют бережного обращения). Предел прочности при сжатии плит сырца после продувки их углекислым газом равен 0,4-0,7 МПа, что достаточно для дальнейших технологических переделов.

Продувка углекислым газом осуществляется при давлении 1-4 атм в течение 10-60 с. Давление менее 1 атм не позволяет провести продувку, более 4 атм нецелесообразно из технико-экономических соображений. Именно за 10-60 с при указанном давлении происходит полная карбонизация плит и они приобретают технологическую прочность.

В заявляемом способе производства сушку отпрессованных плит можно проводить на любом сушильном оборудовании, обеспечивающем начальную температуру сушки не более 120^oC, регулируемый подъем температуры со скоростью не более 150^oC/ч и конечную температуру 250-300^oC. Для этой цели можно использовать электрические сушильные камеры или печи, а также сушилки на газовом топливе. В указанном диапазоне температур сушка до влажности 3% происходит в течение 2,5-3 ч. При использовании ТВЧ- или СВЧ-печей продолжительность сушки уменьшается до 10-30 мин.

Используются следующие сырьевые компоненты:
Вспученный вермикулит по ГОСТ 12865-67, изготовленный из вермикулитового концентрата марок КВК-1, КВК-2 Ковдорского месторождения.

В качестве огнеупорной добавки используют каолин, огнеупорную глину, глинозем, молотый доломит, молотый шамот, алюмосиликаты и гидроалюмосиликаты, карбоалюминат и гидрогранат, молотый магнезит, различные глиноземсодержащие отходы, образующиеся при производстве глинозема и алюминия (например, пыли электрофильтров печей кальцинации и электролизная пыль), и др.

В качестве минерального волокна используется каолиновое, базальтовое или алюмосиликатное волокно в готовом диспергированном виде или измельченном в специальной мельнице-измельчителе.

В качестве жидкого стекла используют натриевое или калиевое растворимое стекло плотностью 1,2-1,43 г/см³, с модулем 2,9-4,5.

Способ получения жаростойких теплоизоляционных плит заключается в следующем.

В отдельном смесительном аппарате принудительного действия лопастного или пропеллерного типа со скоростью вращения 100-300 об./мин приготавливают раствор связующего. В мешалку загружают сначала жидкое стекло, а затем отдозированное количество огнеупорной добавки при работающем смесительном механизме. Перемешивание осуществляют в течение 3-5 мин.

Приготовление сырьевой смеси осуществляют в смесителе гравитационного типа с вертикальным расположением вала (типа бетоносмесителя) или принудительного действия лопастного типа. В смеситель загружают взвешенное количество вспученного вермикулита, а затем при перемешивании подают дозированное количество связующего. Перемешивание осуществляют в течение 3-7 мин до получения гомогенной смеси.

Далее сырьевую смесь подают в пресс-форму пресса периодического действия одностороннего или двухстороннего прессования, где прессуют в 2,5-3,5 раза от первоначального объема при давлении 0,5-1,5 МПа и нормальной температуре (15-30^oC) в течение 1-2 мин.

Отпрессованную плиту продувают углекислым газом при давлении 1-4 атм в течение 10-60 с в пресс-форме пресса или вне ее.

Далее плиты сушатся до влажности не более 3% на любом сушильном оборудовании, обеспечивающем начальную температуру сушки не более 120^oC, регулируемый подъем температуры со скоростью не более 150^oC/ч и конечную температуру 250-300^oC в течение 2,5-3 ч.

Сушка плит может быть осуществлена на оборудовании, использующем источники ТВЧ- или СВЧ-нагрева, при этом время сушки до влажности не более 3% уменьшается до 10-30 мин.

Методы испытаний образцов материала:
Объемная масса - ГОСТ 17177-94
Коэффициент теплопроводности - ГОСТ 12170-85
Температурная усадка при 900^oC - ГОСТ 17177-94
Предел прочности при сжатии - ГОСТ 4071-94
Конкретные примеры составов сырьевой смеси и осуществления способа изготовления плит приведены в таблице 1, свойства плит в сравнении с прототипами - в таблице 2.

Источники информации
1. Спирина B.С., Ахтямов Р.Я. Керамовермикулитовые изделия для футеровки тепловых агрегатов в промышленности строительных материалов. - М.: ВНИИЭСМ, 1991.

2. Производство вспученного вермикулита и изделий на его основе, - Челябинск: УралНИИстромпроект, 1984, с. 28.

3. Авторское свидетельство 867911, C 04 B 43/00, 1983.

4. Авторское свидетельство 996399, C 04 B 43/00, 1983.

5. Авторское свидетельство 1601089, C 04 B 28/26, 1990.

Формула изобретения

1. Сырьевая смесь для изготовления жаростойких теплоизоляционных плит, стойких к воздействию криолитоглиноземных расплавов и расплавов алюминия, включающая вспученный вермикулит и огнеупорную добавку, отличающаяся тем, что она содержит в качестве огнеупорной добавки мелкодисперсный материал с огнеупорностью не менее 1300^oС и размером частиц не более 100 мкм и дополнительно жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.% на сухое вещество:
Жидкое стекло - 8 - 22
Огнеупорная добавка - 8 - 30
Вспученный вермикулит - Остальное
2. Сырьевая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве огнеупорной добавки она дополнительно содержит минеральное волокно в количестве 1 - 10 мас.% от сухой массы сырьевой смеси.

3. Способ изготовления жаростойких теплоизоляционных плит, включающий смешивание вспученного вермикулита с жидким стеклом и добавкой и последующее прессование, отличающийся тем, что предварительно готовят смесь жидкого стекла с огнеупорной добавкой с огнеупорностью не менее 1300^oС и размером частиц не более 100 мкм, который затем затворяют вермикулит, при этом прессование осуществляют при нормальной температуре 10 - 30^oС, давлении 0,5 - 1,5 МПа в течение 1 - 2 мин с последующей сушкой плит до влажности не более 3%.

4. Способ изготовления по п.3, отличающийся тем, что после прессования плит осуществляют их отверждение продувкой углекислым газом в течение 10 - 60 с при давлении 1 - 4 атм.

5. Способ изготовления по п.3 или 4, отличающийся тем, что используют источники ТВЧ- или СВЧ-энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2