Способ изготовления жаростойкой бетонной смеси на шлакощелочном вяжущем и способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси
Владельцы патента RU 2437854:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к способам изготовления жаростойкой бетонной смеси и изделий из жаростойкой бетонной смеси и может быть использовано для футеровки промышленных тепловых агрегатов, работающих при температуре до 1350°С и, в частности, для футеровки вагонеток обжига кирпича. Способ включает смешение шамотного заполнителя фракции 5-10 мм и менее 5 мм, самораспадающегося феррохромового шлака и водного раствора едкого натра. В сухую смесь перед затворением водным раствором едкого натра вводят огнеупорное волокно и портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.%: шамот фракции 5-10 мм 30-31; шамот фракции менее 5 мм 28-30; самораспадающийся феррохромовый шлак 23,5-25,5; едкий натр твердый 3-4; огнеупорное волокно 0,5-1; портландцемент 1-1,5; вода 10-11. Способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси включает ее твердение и уплотнение, при этом твердение изготовленной бетонной смеси осуществляют за 24 часа при тепловой обработке по следующему режиму: подъем температуры до 60-65°С в течение 1,5-2 ч, выдержка при 60-70°С в течение 4 ч, подъем температуры до 90-95°С в течение 1,5-2 ч, выдержка при 90-95°С в течение 4 ч, подъем температуры до 110-120°С в течение 2 ч, выдержка при 110-120°С в течение 7-8 ч, снижение температуры до 50-70°С в течение 3 ч. Технический результат - повышение прочности бетона и термостойкости. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к способам изготовления жаростойкой бетонной смеси и изделий из жаростойкой бетонной смеси и может быть использовано для футеровки промышленных тепловых агрегатов, работающих при температуре до 1350°С и, в частности, для футеровки вагонеток обжига кирпича.
Известен способ изготовления жаростойкой бетонной смеси, включающий перемешивание шамотного заполнителя, тонкомолотой добавки (шамот и обожженный гидратированный глиноземистый цемент), феррохромового шлака и жидкого стекла, и способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси, включающий ее твердение (см. описание к а.с. №590291, опубл. 30.01.78, МПК С04В 19/04). Недостатками способа являются невысокая механическая прочность изделий из жаростойкого бетона и низкая термостойкость.
Наиболее близкий к заявляемому объекту по технической сущности и выбранный заявителем в качестве прототипа является способ изготовления жаростойкой бетонной смеси и способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси, включающий смешение шамотного заполнителя двух фракций (5-10 мм и менее 5 мм), самораспадающегося феррохромового шлака, едкого натра и воды (см. описание к патенту №2284305, опубл. 27.09.06, МПК С04В 28/08).
Недостатками этого способа являются невысокая прочность бетона на изгиб, относительно невысокая термостойкость, а также длительный процесс твердения с энергозатратной тепловой обработкой.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационных характеристик изделий из жаростойкой бетонной смеси за счет повышения прочности бетона на сжатие и изгиб, повышения его термостойкости и оптимизации условий тепловой обработки.
Это достигается тем, что в способе изготовления жаростойкой бетонной смеси, включающем смешение шамотного заполнителя фракции 5-10 мм и менее 5 мм, самораспадающегося феррохромового шлака и водного раствора едкого натра, согласно изобретению в сухую смесь перед затворением водным раствором едкого натра вводят огнеупорное волокно и портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Шамот фракции 5-10 мм | 30-31 |
| Шамот фракции менее 5 мм | 28-30 |
| Самораспадающийся феррохромовый шлак | 23,5-25,5 |
| Едкий натр твердый | 3-4 |
| Огнеупорное волокно | 0,5-1 |
| Портландцемент | 1-1,5 |
| Вода | 10-11. |
Заявляется способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси, включающий ее твердение и уплотнение, согласно изобретению изготовление указанной бетонной смеси осуществляют как указано выше, а твердение осуществляют за 24 часа при тепловой обработке по следующему режиму:
подъем температуры до 60-65°С в течение 1,5-2 ч,
выдержка при 60-70°С в течение 4 ч,
подъем температуры до 90-95°С в течение 1,5-2 ч,
выдержка при 90-95°С в течение 4 ч,
подъем температуры до 110-120°С в течение 2 ч,
выдержка при 110-120°С в течение 7-8 ч,
снижение температуры до 50-70°С в течение 3 ч.
Введение в состав бетонной смеси портландцемента, например, марки 500 обеспечивает в системе: алюмосиликат (шамот) - силикат кальция (самораспадающийся феррохромовый шлак) - едкий натр - вода, образование центров кристаллизации и соответственно ускоренного образования натриевых гидроалюмосиликатов и гидрокальциевых силикатов. Эти центры кристаллизации обеспечивают более быстрое образование кристаллов в гелевидных продуктах гидратации комплексного вяжущего, которые обеспечивают надежное сцепление заполнителя с растворной составляющей бетона.
Твердение и набор прочности данной системы в условиях тепловой обработки происходит быстрее и позволяет зафиксировать определенную форму кристаллогидратов, предотвращая образование промежуточных продуктов. Прочность такого бетона выше прототипа, а условия его тепловой обработки требуют меньших энергозатрат.
Полученный таким способом композиционный материал обладает высокой прочностью. Близкая химическая однородность продуктов гидратации с шамотным заполнителем обеспечивает близость значений коэффициентов линейного термического расширения составляющих бетона, что обеспечивает высокие значения термической стойкости полученного бетона.
Введение в состав бетонной смеси огнеупорного волокна алюмосиликатной структуры увеличивает прочность бетона на сжатие и существенно увеличивает прочность бетона на изгиб.
Как известно, при прочих равных условиях термостойкость находится в прямой зависимости от прочности и теплопроводности и в обратной от модуля упругости и коэффициента линейного термического расширения. Повышение прочности бетона за счет введения огнеупорного волокна позволяет компенсировать возникающие напряжения сдвига между неравномерно нагретыми слоями огнеупорного материала, что обеспечивает повышение термической стойкости изделий из жаростойкой бетонной смеси.
Особенность химического состава огнеупорного волокна - преобладание алюмосиликатной структуры, что позволяет сохранить все свойства волокна при повышенных температурах, а также частично прореагировать с щелочной фазой, тем самым повышая сцепление волокон с цементным камнем.
Проведенные исследования не выявили идентичных и сходных технических решений, что позволяет сделать вывод о "новизне" и "изобретательском уровне" заявляемого технического решения.
Отечественная промышленность располагает материалами и оборудованием для реализации предлагаемого технического решения и возможностью его широкого использования. Применение: элементы футеровки тепловых агрегатов, работающих до 1250-1350°С: футеровка и элементы канализованного пода вагонеток обжига глиняного кирпича и сантехнических изделий; элементы конструкций туннельных, кольцевых и вращающихся печей обжига; элементы обмуровки котлоагрегатов ТЭЦ и ГРЭС и т.д.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
В смеситель принудительного действия засыпают расчетное количество сухих компонентов: шамотный щебень (5-10 мм), шамотный песок (менее 5 мм), модуль крупности 2,5, портландцемент (например, марки 500) и самораспадающийся феррохромовый шлак. После тщательного перемешивания в сухую смесь постепенно вводят расчетное количество огнеупорного волокна.
Для получения бетонной смеси были испытаны две смеси. Составы смесей приведены в таблице 1.
Отдельно готовят раствор едкого натра плотностью 1,3-1,4 г/см3. После тщательного перемешивания сухих компонентов в смеситель заливают раствор едкого натра в таком количестве, чтобы обеспечить введение необходимого количества едкого натра в пересчете на твердое состояние. После одной минуты перемешивания подвижность смеси корректируют добавлением чистой воды.
Полученную бетонную смесь раскладывают в приготовленные формы или опалубку. Затем смесь уплотняют на вибростоле или при помощи глубинного вибратора.
Далее бетонная смесь подвергается тепловой обработке, где осуществляется ее твердение по режиму:
подъем температуры до 60-65°С в течение 1,5-2 часов,
выдержка при 60-70°С в течение 4 часов,
подъем температуры до 90-95°С в течение 1,5-2 часов,
выдержка при 90-95°С в течение 4 часов,
подъем температуры до 110-120°С в течение 2 часов,
выдержка при 110-120°С в течение 7-8 часов,
снижение температуры до 50-70°С в течение 3 часов.
Свойства жаростойких бетонов по предлагаемому способу и прототипа приведены в табл.1.
| Таблица 1 | |||
| Компоненты, мас.% | По предлагаемому способу | По прототипу | |
| Состав 1 | Состав 2 | ||
| Шамот фракции 5-10 мм | 31 | 30,0 | 32 |
| Шамот фракции менее 5 мм, Мкр=2,4-3,0 | 30 | 28,0 | 32 |
| Самораспадающийся феррохромовый шлак | 23,5 | 25,5 | 22 |
| Едкий натр (твердый) | 3,0 | 4,0 | 3,0 |
| Портландцемент 500 | 1 | 1,5 | - |
| Огнеупорное волокно | 0,5 | 1 | - |
| Вода | 11 | 10 | 11 |
| ИТОГО: | 100 | 100 | 100 |
| Средняя плотность, кг/м3 | 1950-2100 | 1950-2100 | 1920-2100 |
| Прочность на сжатие после твердения, МПа | 71 | 85 | 40,4 |
| Прочность на изгиб после твердения, МПа | 8,5 | 12,1 | - |
| Прочность после 1000°С, МПа | 43 | 58 | 32,3 |
| Термостойкость, циклы 800°С -вода | 79 | 139 | 57 |
| Максимальная температура применения, °С | 1350 | 1300 | 1300 |
Таким образом, изделия из жаростойкой бетонной смеси, полученные по предлагаемому способу, по совокупности основных свойств имеют высокие показатели, а тепловая обработка требует меньше времени при меньших энергозатратах. Высокие значения прочности на сжатие, прочности на изгиб и термостойкости обеспечивают более эффективное и надежное применение изделий из жаростойкого бетона и позволяют расширить области применения.
1. Способ изготовления жаростойкой бетонной смеси, включающий смешение шамотного заполнителя фракции 5-10 мм и менее 5 мм, самораспадающегося феррохромового шлака и водного раствора едкого натра, отличающийся тем, что в сухую смесь перед затворением водным раствором едкого натра вводят огнеупорное волокно и портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Шамот фракции 5-10 мм | 30-31 |
| Шамот фракции менее 5 мм | 28-30 |
| Самораспадающийся феррохромовый шлак | 23,5-25,5 |
| Едкий натр твердый | 3-4 |
| Огнеупорное волокно | 0,5-1 |
| Портландцемент | 1-1,5 |
| Вода | 10-11 |
2. Способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси, включающий ее твердение и уплотнение, отличающийся тем, что изготовление указанной бетонной смеси осуществляют по п.1, а твердение осуществляют за 24 ч при тепловой обработке по следующему режиму:
подъем температуры до 60-65°С в течение 1,5-2 ч,
выдержка при 60-70°С в течение 4 ч,
подъем температуры до 90-95°С в течение 1,5-2 ч,
выдержка при 90-95°С в течение 4 ч,
подъем температуры до 110-120°С в течение 2 ч,
выдержка при 110-120°С в течение 7-8 ч,
снижение температуры до 50-70°С в течение 3 ч.
