Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние работ по созданию огнеупорных и теплоизоляционных материалов для футеровки тепловых агрегатов
1.1 Защита тепловых агрегатов от воздействия высоких температур 12
1.1.1 Общие сведения о футеровке тепловых агрегатов 12
1.1.2 Общие сведения об огнеупорных и теплоизоляционных материалах. Состояние мирового производства
1.1.3 Классификация огнеупорных и теплоизоляционных материалов 15
1.1.4 Современные тенденции в производстве огнеупорных и теплоизоляционных материалов для машиностроительной промышленности и металлургии .
1.2 Характеристики и области применения основных типов современных
огнеупоров и легковесов по химико-минеральному составу
1.3 Алюмосиликатные огнеупорные и теплоизоляционные материалы 22
1.3.1. Шамотные, полукислые и каолиновые огнеупоры 22
1.3.2 Изделия высокоглинозёмистые и глинозёмистые 24
1.3.3. Волокнистые алюмосиликатные материалы 25
1.3.4 Неформованные алюмосиликатные огнеупоры 26
1.4. Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для изготовления керамических огнеупорных и теплоизоляционных материа- 28 лов. 35 37
1.4.1 Общие сведения об СВС, возникновение и развитие 28
1.4.2 Свойства и преимущества СВС-процессов 30
1.4.3 Технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
1.4.4 Схема и химические классы СВС-процессов 32
1.5 Создание новых алюмосиликатных муллитовых огнеупорных и теплоизоляционных материалов и изделий методом СВС.
1.5.1 Актуальность разработки новых огнеупорных материалов 34
1.5.2 Современное состояние работ по созданию огнеупорных и теплоизоляционных СВС-материалов на основе А1
1.5.3 Основные виды современных алюмосиликатных (АС) огнеупорных и легковесных СВС-материалов муллитового составаюбласти применения
1.6 Технология защиты футеровки тепловых агрегатов 40
1.7 Цели и задачи исследования 44
2 Материалы и методики исследования 45
2.1 Применяемые материалы 45
2.1.1 Алюмотермитные материалы марок М-1, КР-1 и серии ВБФ 45
2.1.2 Связующие: жидкое натриевое стекло и ортофосфорная кислота 49
2.1.3 Лента термохимическая марки ЛТХ 50
2.2 Методики исследований 51
2.2.1 Методика расчёта термодинамического равновесия и конечного состава продуктов в программе ISMANHERMO
2.2.2 Разработка методики определения оптимального состава шликеров 52
2.2.3 Разработка методики определения влажности 54
2.2.4 Методика определения линейной усадки образцов 55
2.2.5 Методика определения потери плотности 57 -2.2.6 Методика определения прочности образцов на сжатие 59
2.2.7 Рентгеноструктурный анализ образцов 60
2.2.8 Растровая электронная микроскопия 61
2.2.9 Методика определения температуры горения составов 62
3 Экспериментально-теоретическое исследование процесса синтеза мул литовых структур в алюмосиликатных СВС-материалах (АС-материалах)
3.1. Теоретические расчёты параметров процесса синтеза 64
3.1.1 Расчёт адиабатической температуры синтеза АС-материалов 64
3.1.2 Расчет параметров горения состава марки М-1 и определение зависимости конечного состава его продуктов от температуры инициирования состава с помощью программы ISMANHERMO
3.2 Экспериментальные исследования влияния температуры нагрева на закономерность образования муллитовых структур в покрытии М-1
3.3 Синтез муллитового покрытия на основе сухой смеси состава М-1 методом поверхностного нагрева от термохимического источника тепла
3.4 Выводы по результатам исследований 85
4 Экспериментальные исследования свойств теплозащитных и огнеупор ных алюмосиликатных СВС-материалов серии ВБФ
4.1 Влияние температуры термической обработки на структуру и физико механические свойства жаростойких ячеистых АС-материалов серии ВБФ
4.2 Влияние вязкости шликеров (жидко-вязких растворов) на плотность и прочностные свойства теплоизоляционного ячеистого материала 90 ВБФ -650.
4.3 Выводы по результатам исследований 93
5 Разработка технологий защиты тепловых агрегатов от воздействия высоких температур алюмосиликатными СВС-материалами
5.1 Усовершенствование технологии футеровки тепловых агрегатов огнеупорными и теплоизоляционными АС-материалами с использованием методики экспресс-анализа на всех стадиях их подготовки и применения
5.1.1 Общие положения 94
5.1.2 Разработка технологии футеровки тепловых агрегатов и изготовления изделий из вспучивающихся ячеистых теплоизоляционных АС- 95 материалов серии ВБФ.
5.1.3 Усовершенствование технологии применения композиции ша мот+ОКП марки М-1 в футеровке тепловых агрегатов
5.2 Разработка технологии изготовления композиционного материала шамот+М-1 с синтезом в поверхностном слое муллитовых структур и корунда
5.3 Выводы 111
Основные результаты и выводы 112
Список использованной литературы
- Современные тенденции в производстве огнеупорных и теплоизоляционных материалов для машиностроительной промышленности и металлургии
- Связующие: жидкое натриевое стекло и ортофосфорная кислота
- Методика определения температуры горения составов
- Влияние вязкости шликеров (жидко-вязких растворов) на плотность и прочностные свойства теплоизоляционного ячеистого материала 90 ВБФ
Введение к работе
Актуальность темы. Современное машиностроение в России и за рубежом испытывает недостаток высококачественных неформованных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, в том числе алюмосиликатных, несмотря на то, что наращивание их производства является одной из основных общемировых тенденций в производстве огнеупоров. С другой стороны, в России существует множество передовых разработок новых неформованных алюмосиликатных огнеупоров и легковесов с применением перспективной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Наиболее известны СВС-материалы для изготовления ячеистых бетонов серии ВБФ, кладочных растворов марки КР-1 и огнеупорных защитно-упрочняющих покрытий марки М-1 производства ЗАО НПКФ «МаВР», но несмотря на достаточно широкую известность, их применение сильно ограничено. Это связано в первую очередь, с недостаточным исследованием процессов, которые проходят в материалах при СВ-синтезе, и зачастую невозможно с достаточной точностью спрогнозировать свойства футеровки тепло-агрегата, в котором они применяются. Кроме того, в настоящее время нет возможности применять подобные материалы в тех теплоагрегатах, где нет необходимых для инициирования процесса синтеза температур (трубы, реакторы и др.), что значительно сужает возможную область их применения. Открытым остаётся и вопрос влияния на конечные характеристики свойств полуфабрикатов и исходных компонентов, а также контроля качества их подготовки и применения на месте работ. Таким образом не вызывает сомнения актуальность проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в алюмосиликатных СВС-материалах (АС-материалах) в процессе синтеза. Не менее актуальна разработка технологий, позволяющих расширить область применения этих материалов за счёт использования в тех теплоагрегатах, в которых в настоящее время невозможно достичь требуемых для синтеза температур, а также технологий, позволяющих контролировать на всех стадиях качество подготовки и применения материалов на месте работ.
Цель диссертационной работы. Цель работы - на основании экспериментально - теоретических исследований процесса синтеза муллитовых структур и корунда в АС-материалах и выявления зависимостей физико-механических характеристик изделий из них от свойств компонентов и технологии их изготовления повысить эксплуатационные характеристики и температуры их применения, и усовершенствовать технологию получения АС-материалов и изделий из них для защиты машиностроительных тепловых агрегатов от воздействия высоких температур.
В соответствии с целью исследования для её достижения необходимо решить следующие задачи:
Провести теоретический расчёт параметров процесса синтеза алюмо-силикатных СВС-составов аналитическими методами и с помощью специализированной компьютерной программы «ИСМАН-ТЕРМО» с определением конечных продуктов синтеза.
Экспериментально исследовать закономерности изменения состава и структуры защитного оксидно-керамического покрытия марки М-1 в зависимости от температуры нагрева для инициирования синтеза.
3. На основании выявленных закономерностей разработать методы
улучшения физических и механических свойств и повышения огнеупорности
алюмосиликатных СВС-материалов.
Проведены исследования зависимости свойств теплозащитных и огнеупорных алюмосиликатных СВС-материалов от воздействия наиболее распространённых рабочих температур эксплуатации современных тепловых агрегатов.
На основании проведенных исследований усовершенствовать технологию защиты тепловых агрегатов от воздействия высоких температур огнеупорными и теплоизоляционными алюмосиликатными СВС-материалами. Разработать технологию защиты тепловых агрегатов от воздействия высоких температур путём осуществления синтеза муллитовых структур в композициях шамот+ОКП М-1 на футеровке тепловых агрегатов поверхностным нагревом и расширить область применения огнеупорных защитных покрытий в машиностроении.
Научная новизна работы.
Установлена расчётными методами и экспериментально макрокинетика процессов и определена возможность образования муллитовых структур и корунда в покрытии на основе алюмосиликатного огнеупорного СВС-материала марки М-1 во время прохождении реакции СВС при его нагреве до различных температур. Экспериментально доказана возможность получения в тонком слое покрытия (от 1 до 2 мм) на основе материала марки М-1 муллитовых структур и корунда с использованием поверхностного нагрева термохимическими составами под теплоизоляцией.
По результатам экспериментальных исследований установлена зависимость физико-механических свойств алюмосиликатных вспучивающихся ячеистых СВС-материалов серии ВБФ (прочность, плотность и изменение размеров) от технологических параметров приготовления полуфабрикатов (вязкость шликеров, влажность сухих смесей). Установлено, что на прохождении реакции синтеза в пористых (ячеистых) материалах серии ВБФ и на образование различных химических соединений значительное влияние оказывают потери тепла из-за малой толщины стенок между ячейками (порами).
Выполнен детальный фазовый и структурный анализ алюмосиликатных огнеупорных и теплоизоляционных СВС-материалов. Показано, что по-
еле нагрева до различных температур в вышеуказанных материалах независимо от того, являются они покрытиями или вспучивающимися ячеистыми бетонами, проходят реакции с образованием следующих соединений:
-при нагреве до температур ниже 800С основными химическими соединениями остаются А1 и SiC>2, поскольку таких температур недостаточно для инициирования СВ-синтеза в материале;
-при нагреве до температур от 900 до 1200С проходит первая (восстановительная) реакция из процесса синтеза с образованием Si и А1203;
-при нагреве до температур выше 1300С проходит вторая (экзотермическая) стадия синтеза и в материале образуется муллитовая структура силлиманит.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что проведенные комплексные экспериментально-теоретические исследования дали более полное представление о закономерностях прохождения процесса СВ-синтеза в АС-материалах, что позволяет более эффективно их использовать в футеровках машиностроительных тепловых агрегатов при высоких (от 800 до 1800С) температурах.
Знание закономерностей процессов синтеза, а также зависимостей конечных свойств АС-материалов от свойств исходных компонентов и полуфабрикатов позволило обеспечивать воспроизводимость физико-механических характеристик и применять АС-материалы для изготовления изделий и футеровок тепловых агрегатов с высокими эксплуатационными свойствами.
Усовершенствованна и опробована в промышленных условиях (ОАО «Коломенский завод», ООО «Битруб Интернэшнл» и др.) технология футеровки тепловых агрегатов алюмосиликатными СВС-материалами, включающая новую методику экспресс-анализа на всех стадиях на месте проведения работ. Также разработана новая технология защиты алюмосиликатных футеровок машиностроительных, металлургических и др. тепловых агрегатов огнеупорным оксидно-керамическим покрытием марки М-1 с применением поверхностного нагрева термохимической лентой.
Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечивается применением современных методов исследования в материаловедении, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала, сопоставлением полученных экспериментальных результатов с расчётными данными. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследований, теоретическом обосновании путей их решения, проведении расчётов и экспериментов, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретических расчётов, а также, полученные с помощью специализированной компьютерной программы ISMAN-THERMO, зависи-
мости изменения количественного и качественного состава фаз в алюмоси-ликатных СВС-материалах от температуры нагрева.
Впервые обнаруженные закономерности структурных изменений в АС-материалах, а именно экспериментально наблюдаемые закономерности синтеза муллитовых структур и корунда в процессе термической обработки АС-материалов при различных температурах в печи, а также поверхностным нагревом термохимическими составами.
Новая методика экспресс-анализа, связывающая параметры и характеристики сухих смесей АС-материалов и их полуфабрикатов (влажность смеси, вязкость шликера, влажность футеровки) с физико-механическими свойствами готовых изделий из них.
Усовершенствованная технология подготовки, применения и контроля свойств материалов серии ВБФ производства ЗАО НПКФ «МаВР» на месте работ по футеровке тепловых агрегатов, которая обеспечивает получение ячеистых бетонов требуемого качества с точно прогнозируемыми заранее физико-механическими характеристиками.
Технология по нанесению огнеупорного защитно-упрочняющего оксидно-керамического покрытия марки М-1 на футеровку тепловых агрегатов, которая обеспечивает получение муллитовых структур и корунда с применением поверхностного нагрева термохимической лентой ЛТХ-100.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: IX и X Международной научно-технической конференции «Композиты - в народное хозяйство» (Барнаул, 2005, 2006); III, IV и VI Всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка 2005, 2006, 2008); Молодежной международной школе-конференции по инновационному развитию науки и техники (Черноголовка 2005); Международной ежегодной конференции огнеупорщиков и металлургов (Москва 2006, 2007); IV Международной конференции "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий" (Большая Ялта, Автономная республика Крым, Украина, 2006); VII Международной научно-технической конференции Национальной Академии Наук Республики Беларусь. 16-17 мая (Минск, 2006); IX International Symposium on Self-propagating High-temperature Synthesis (Dijon, France 2007); XX-OM Всероссийском совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям (Санкт-Петербург, 2007); XLVII международной конференции «Актуальные проблемы прочности». (Н-Новгород, 2008).
Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 16 статей и тезисов конференций, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 107 наименований и 3 приложений, содержит 144 страницы машинописного текста, включая 18 таблиц и 36 рисунков.
Современные тенденции в производстве огнеупорных и теплоизоляционных материалов для машиностроительной промышленности и металлургии
Футеровка машиностроительного теплового агрегата — это конструкция из огнеупорных и теплоизоляционных материалов, которая защищает от воздействия окружающей атмосферы теплотехнические и термотехнологические процессы, проходящие в его рабочем пространстве (топке, камере и.т.п.)[64].
Внутренняя поверхность футеровки участвует в теплообменных процессах, совершающихся в теплоагрегате. Через внешнюю поверхность футеровки происходит теплообмен с окружающей средой [65]. Таким образом, она участвует в двух взаимосвязанных системах теплообмена: внутренней и внешней[58,59]. Для того, чтобы свести к минимуму это взаимное влияние футеровку выполняют из материалов, обеспечивающих надлежащее тепловое сопротивление.
Футеровка должна быть прочной (сопротивление деформации) при рабочей температуре под действием постоянных и переменных тепловых нагрузок (термическая устойчивость), при протекании процессов в агрессивной среде (химическая стойкость), а также при механических воздействиях материалов, проходящих через тепловой агрегат (механическая стойкость)[60,62].
При проектировании футеровки необходимо учитывать, что во время работы теплоагрегата, начиная с некоторых температур, происходит линейная усадка огнеупоров (алюмосиликатные материалы) или их дополнительный рост (динас). При комбинированной кладке необходимо проверять правильность выбранной конструкции определением температуры в каждом слое футеровки[63].
Правильный выбор материалов футеровки очень важен, так как определяет длительность и бесперебойность работы теплового агрегата. Правильно спроектированная футеровка теплового агрегата - гарантия его надёжности и долговечности в эксплуатации
Общие сведения об огнеупорных и теплоизоляционных материалах. Состояние мирового производства
Огнеупоры - материалы и изделия, изготавливаемые преимущественно из минерального сырья, обладающие огнеупорностью (способностью противостоять высоким температурам, не расплавляясь) и выдерживающие при высокой температуре строительную нагрузку[2]. Они должны сохранять без существенных изменений своих функциональные свойства (прочность, теплопроводность и так далее) в различных условиях при высоких температурах [3].
Изделия, имеющие общую пористость 45% и пониженные кажущуюся плотность (преимущественно 0,4 - 1,4 г/см ) и теплопроводность, называют теплоизоляционными или легковесными[2]. Теплоизоляционные материалы также преимущественно изготавливаются из минерального сырья. Они применяются для уменьшения потерь тепла через стены и своды тепловых агрегатов, [66,67].
Из огнеупорных материалов строят рабочие камеры (реакционные полости), топки и футеруют стенки теплоиспользующих устройств, дымоходы, борова и трубы [89, 103]. Теплоизоляционные материалы, как правило, используют для наружной или внутренней теплоизоляции промышленных печей и других тепловых агрегатов, чаще всего в качестве прокладки между огнеупорными элементами их футеровки и металлическим кожухом.
Без огнеупорных и теплоизоляционных материалов практически нет другого способа ограничить распространение тепла в окружающую среду и поддержать длительное время высокие температуры в рабочем объёме теплоагрегатов [69,70]. Кроме того, в настоящее время, с развитием новых производств от огнеупоров всё чаще требуется обладание самыми разнообразными физическими, химическими, механическими и другими характеристиками. Огнеупоры в одних случаях используют как высокотемпературные теплоизоляторы. В других случаях, наоборот, огнеупоры должны обладать высокой теплопроводностью или использоваться как проводники электрического тока или как электроизоляторы.[3]
В некоторых отраслях промышленности огнеупорная футеровка тепловых агрегатов подвергается абразивному износу [104]. Проблема защиты оборудова ния от воздействия высоких температур и одновременного абразивного износа движущимися пылевидными, зернистыми и кусковыми материалами существует в чёрной и цветной металлургии (доменный процесс, коксовые батареи, различные обжиговые и плавильные печи и.т.п.), в цементной промышленности (в различных каталитических процессах), на мусоросжигательных установках и.т.п [4]. В настоящее время для решения этой проблемы всё большее применение находит покрытие огнеупоров защитными обмазками, что повышает термическую стойкость кладки и уменьшает её абразивный износ [5].
В алюминиевой промышленности одним из основных требований, предъявляемых к огнеупорным материалам, является их способность не смачиваться расплавом алюминия и сплавами на его основе [6]. В настоящее время производятся активные разработки новых материалов, обладающих подобными характеристиками. В частности, разработаны огнеупорные покрытия, обмазки и бетоны для алюминиевой промышленности на основе волластонита, который обладает уникальным свойством не смачиваться расплавом алюминия и химически не взаимодействовать с ним [72]. Также разрабатываются композиционные материалы и покрытия для защиты литейного оборудования и оснастки от воздействия расплава алюминия [73].
Многообразие условий службы обусловило необходимость создания большого ассортимента огнеупорных и теплоизоляционных материалов с различными свойствами [100]. Мировой объём их производства оценивается в количестве от 28 до 30 млн. т/год [1], а стоимость в индустриально развитых странах составляет около 0,1% валового национального продукта[3]. Мировым лидером по производству огнеупоров является Китай, в котором в 2007 году выпущено более 20 миллионов тонн, что составляет 60% мирового производства [1]. Огнеупорные материалы применяют почти во всех отраслях промышленности [68]. Основные потребители - чёрная металлургия (от 60% до 75% от общего количества), машиностроение (от 10% до 20%)и цветная металлургия (7,5%, причём потребление постоянно растёт). На производство алюминия приходится примерно 75% всех материалов, потребляемых цветной металлургией.[3]
Связующие: жидкое натриевое стекло и ортофосфорная кислота
Главные области применения кремнезёмистых материалов коксовые и стекловаренные печи, регенераторы мартеновских и стекловаренных печей, воздухонагреватели доменных печей с повышенной температурой дутья, в некоторых случаях своды электропечей малой мощности. Кремнезёмистые динасовые изделия отличаются высокой температурой начала размягчения (1600 - 1650С), что способствует их хорошей службе в сводах печей, и несколько повышенной по сравнению с шамотными изделиями теплопроводностью [99]. К кремнезёмистым относятся также кварцевые изделия и изделия из кварцевого стекла, которые выпускают для применения при разливке стали и в некоторых других целях. Они отличаются особо высокой термостойкостью и выдерживают длительную службу при 1200С, а кратковременную при более высоких температурах. [2]
Изделия из периклазовых материалов отличаются весьма высокой огнеупорностью ( 2000С) и устойчивостью против воздействия расплавленных металлов, основных шлаков, оксидов железа при высоких температурах [95]. Их применяют для кладки подин и стен мартеновских и дуговых электропечей, для футеровки миксеров в виде стаканов для разливки стали, в печах цветной металлургии [92, 93]. Эти изделия характеризуются низкой термостойкостью и разрушаются при резких перепадах температур. Более термостойки изделия из перик-лаза с дополнительным компонентом, например на шпинельной связке, образующейся при введении в шихту технического глинозёма [9, 102].
Диоксид циркония встречается в природе в виде минерала бадделиата и относится к материалам высшей огнеупорности. Температура плавления диоксида циркония принята равной 2700С, температура кипения определена равной 4300С [13]. Теплопроводность изделий из стабилизированного диоксида циркония существенно ниже, чем у большинства огнеупорных материалов и, в отличие от них, обнаруживает рост при повышении температуры. Теплопроводность керамики из ZrC 2 (с открытой пористостью 23,8%) при 300С равна 1 Вт(м К), а при 1800С - 1,5 Вт(мхК). Зависимость удельной теплоёмкости Zr02 от темпера туры следующая: при 10С - 0,120 кал/г; 600С - 0,137 кал/г; 1000С - 0,157 кал/г и при 1400С — 0,157 кал/г [13]. Огнеупоры из диоксида циркония применяют при температурах до 2500С [14]. Из циркона изготавливают стаканы для разливки стали из промежуточных ковшей, для машин непрерывного литья заготовок, а также различные элементы лабораторного оборудования (муфели и.т.п.), их применяют в стекловаренных печах, печах для плавки алюминия и др. [2, 96].
Углеродистые изделия отличаются высокой теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой термостойкостью, низким коэффициентом термического расширения, постоянством размеров при высоких температурах, хорошей устойчивостью против расплавов шлаков и металлов. Применяют углеродистые блоки в тех местах, где металл соприкасается с кладкой, а доступ кислорода ограничен, например, для кладки лещади и горна доменных печей, в шахтных печах для плавки свинца и др. Углеродистые электроды различной формы применяют в электродуговых печах. Углеродистые блоки используют для футеровки стен и пода электропечей для производства карбида кальция, ферросплавов, криолита и др. Применяют глинозёмографитовые и другие графитсодержа-щие стаканы для разливки стали, тигли и реторты для плавки металлов, изложницы для отливки биметаллических слитков, шамотнографитовые пробки, вкладыши, защитные трубы, стаканы дозаторы [17] и другие детали. В последние годы освоено производство оксидоуглеродистых изделий, главным образом периклазо-углеродистых на основе плавленых или спечённых периклазовых порошков. Эти изделия хорошо служат в кислородных конвертерах, в том числе с донной продувкой, в стенах дуговых электропечей [2].
Изделия из чистых оксидов применяют в службе при высоких температурах ( порядка 2000С) и в контакте с расплавленными металлами и стёклами в лабораторной практике и в промышленных условиях. Наиболее распространены изделия на основе оксидов алюминия (корундовые), магния и циркония [2]. Корундовые изделия применяют до температуры 1900С. Корундовые огнеупоры, благодаря мономинеральному составу, характеризуются высокой твёрдостью и абразивной устойчивостью. Плавленолитые корундовые огнеупоры характеризуются повышенными прочностными свойствами, в частности, прочность при сжатии может составлять от 300 до 400 МПа [15]. Изделия из оксида магния (периклазо-вые и на шпинельной основе) служат при температурах до 2000С и выше. Изготавливают тигли и отдельные детали из оксида кальция [2]. Изделия из диоксида циркония, благодаря высокой огнеупорности, хорошей термической и химической устойчивости, широко применяются в технике при температуре 2000С и выше. В стекольной промышленности находит применение оксид хрома. Он характеризуется высокой огнеупорностью и химической инертностью и отличается чрезвычайно высокой коррозионной стойкостью в агрессивных минеральных расплавах (стекловолокно, минеральная вата, базальтовое волокно и.т.д.) [16].
Широкое применение в современной промышленности нашли базальтовые волокна, которые бывают трёх видов: тонкие, супертонкие и непрерывные [8]. Базальтовое супертонкое волокно (БСТВ) обладает целым рядом положительных свойств: высокой тепло- и звукоизолирующей способностью, вибростойкостью и химической стойкостью, низким водопоглощением и достаточной температуро-стойкостью (от -60С до 700С). Базальтовое волокно широко используется в самых различных областях: в энергетике, в том числе в атомной, в машиностроении, судостроении, химической и других отраслях промышленности [12].
Для современной промышленности, в том числе машиностроения, наибольшее значение имеют алюмосиликатные материалы, которые, характеризуются широчайшим диапазоном свойств. В производстве огнеупоров на них приходится более 80%. Это объясняется, в том числе и тем, что номенклатура алюмоси-ликатных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, производимых современной промышленностью, чрезвычайно широка (см. таблицу 1.1). Кроме того, для развития и удешевления машиностроительных производств очень важно, что в настоящее время производятся волокнистые алюмосиликатные материалы из глинозёмокремнезёмистого стекла с содержанием AI2O3 от 40 до 90%, а также множество самых разнообразных неформованных материалов. По этим причинам алюмосиликатные огнеупорные и теплоизоляционные материалы и изделия из них представляются наиболее перспективными для применения их в современном и будущем машиностроении
Методика определения температуры горения составов
Сущность метода заключается в определении изменения плотности образцов из вспучивающихся ячеистых бетонов серии ВБФ до, и после воздействия на них определенной температуры в течение заданного времени. При проведении исследований использовалось следующее оборудование: 1) Штангенциркуль по ГОСТ 166-80 с пределом погрешности ±0,1 мм; 2) Электропечь лабораторная камерная СНОЛ 6/12 (рисунок 2.4), имеющая автоматическое регулирование температуры с пределом допускаемой погрешности ±10С. Технические характеристики электропечи СНОЛ 6/12 представлены в таблице 2.7. 3) Электронные весы ВНМЗ/ЗОТ (рисунок 2.4). Технические характеристики весов ВНМЗ/ЗОТ приведены в таблице 2.8.
Изготавливались образцы в форме куба со стороной размером (50±1) мм. В подготовленном для испытания образце длины ребер не различались более чем на 0,5 мм. Образцы измерялась штангенциркулем по средним линиям всех противоположных граней. Размером длины, ширины и высоты образца считалось среднее арифметическое двух измерений, округленное до 0,1 мм. Объёмом образца считалось произведение всех средних арифметических длин граней образца (шири-нахдлинахвысота, мм ) Затем образцы взвешивались на электронных весах ВНМЗ/ЗОТ, после чего вычислялась плотность образцов.
Образцы подвергались термической обработке по заданному температурному циклу в электропечи. При температуре испытания до 150С образцы помещались в электропечь, предварительно разогретую до указанной температуры. При температуре испытания свыше 150С образцы помещались в электропечь при температуре не более 100С и затем температуру непрерывно и равномерно повышалась со скоростью не более 5С/мин до температуры на 50С ниже температуры испытания, а последнее 50С до достижения температуры испытания - не более 2 С/мин. После обжига проводился повторный обмер штангенциркулем и взвешивание образцов с последующим вычислением объёма и плотности. Потеря плотности образца определялась по формуле 2.2.
Прочность на сжатие определялась отношением максимальной нагрузки, при которой произошло разрушение, к площади образца. Испытания производятся по ГОСТ 4071.1-94 на универсальной испытательной установке «Инстрои -1195»: максимальное усилие 10 тонн, скорость перемещения траверсы от 0,5 до 500 мм/мин, экстенсометры продольной и поперечной деформации.
Применялись образцы для испытаний в форме куба с длиной ребра от 50 до 100 мм. Допускались отклонения от размеров ± 2 мм. Образцы, имеющие трещины, не испытывались. Испытания образцов производились как параллельно направлению заливки шликерной массы в форму, так и перпендикулярно ему. Отклонение от плоскостности нагружаемых поверхностей образцов контролировалось методом прижимания их поочерёдно с усилием 3±1 кН к поверочной плите, покрытой чёрной копировальной и плотной фильтрованной бумагой толщиной 0,15 мм. Образцы, которые не оставляли чётких отпечатков, подлишовывались. Отклонение от параллельности нагружаемых поверхностей контролировалось измерениями высоты образцов в четырёх местах. После отливки и извлечения из формы образцы высушивались до постоянной массы при температуре 120±5С.
Непосредственно перед проведением испытаний измерялись две стороны каждого нагружаемого основания образца с точностью до 0,1 мм. Площадь поперечного сечения образца (А0) вычислялась как среднее арифметическое четырёх измерений. Затем образцы устанавливались одной из нагружаемых поверхностей на нажимную плиту с обеспечением центрирования образца, после чего производилось сжатие образца с заданной скоростью до его полного разрушения. Предел прочности при сжатии асж, Н/мм при комнатной температуре вычислялся по формуле 2.3, результаты испытаний заносились в журнал. где: Fmax - максимальная нагрузка, Н; А0 - площадь поперечного сечения; 2.2.7 Рентгеноструктурный анализ образцов
Метод основан на том, что рентгенограмма каждой фазы характеризуется своим набором межплоскостных расстояний и интенсивностей излучения, рентгенограмма многофазного образца представляет собой наложение рентгенограмм отдельных фаз. На основе полученных дифракционных данных можно определить фазовый состав. В дифрактометрах дифрагированные лучи фиксируются счетчиками, с которыми связано электронно-регистрирующее устройство (компьютер). В основе работы дифрактометра лежит получение рентгенограммы путем сканирования образца по углу 0 между плоскостью образца и первичным пучком. При этом для регистрации интенсивности дифрагированного луча счетчик должен повернуться на угол 20 по отношению к первичному пучку. Для рентгенографической съемки в дифрактометре обычно используют плоский образец. Необходимое минимальное количество вещества -0,1 г.
Дифрактометр ДРОН-ЗМ Рентгенофазовый анализ проводился на дифрактометре ДРОН-ЗМ (рентгеновская трубка БСВ-2,5), представленном на рисунке 2.5, в автоматическом режиме по программе MZAEM, входящей в математическое обеспечение прибора. Размер образцов 5х10хЮ мм. Монохроматический рентгеновский луч, соответствующий медному излучению с длиной волны А,=1,54178 нм направлялся на образец.
Влияние вязкости шликеров (жидко-вязких растворов) на плотность и прочностные свойства теплоизоляционного ячеистого материала 90 ВБФ
Следует обратить внимание на тот факт, что время жизненного цикла шликера (промежутка времени измеряемого от момента смешения сухой смеси с подготовленным жидким компонентом - до начала вспучивания) составляет от 1 до 3 часов и зависит от температуры окружающей среды и срока хранения сухой технологической смеси.
Минимальный промежуток времени (50...70 мин) формирования ячеистого бетона реализуется при наличии более высоких температур окружающей среды (Тср=+25...30 С) и малом (одна-две недели от момента изготовления) сроке использования сухой смеси. После длительного хранения сухой смеси (свыше месяца и более) и при температуре окружающей среды порядка +20С время жизненного цикла шликера обычно составляет около 2-х часов (при меньших температурах окружающей среды может доходить до 3-х и более часов). Интенсйфировать процесс вспучивания (сократить время жизненного цикла шликера) после длительного хранения сухой смеси можно путем ее (сухой смеси) активации. Её можно произвести с помощью использования самодельного высокооборотного (1500...2500 об/мин) миксера. Он изготавливается на основе электромотора или высокооборотной дрели с закрепленной на выходном валу насадкой - дробите-лем, выполненной в виде плоских пластин с заточенными лопастями (наподобие насадки, используемой в кофемолках). Время обработки сухой смеси с помощью такого приспособления должно составлять от 3 до 5 минут.
После окончания процесса приготовления шликера производится определение его вязкости согласно утверждённой методике экспресс анализа (приложение А) и изготавливаются образцы. Вязкость шликера материала серии ВБФ перед применением его для изготовления образцов должна быть зафиксирована. Затем необходимо определить плотность и прочность конечного материала (ячеистого бетона). Они должны соответствовать значениям, указанным в инструкции по приготовлению и применению используемого материала серии ВБФ. В случае несоответствия необходимо выяснить причины до начала работ. Возможный путь решения: увеличение или уменьшение вязкости шликера. В случае соответствия прочности и плотности бетона значениям, указанным в инструкции по его изготовлению и применению, зафиксированная при заливке образцов вязкость должна соблюдаться в дальнейшем при изготовлении ячеистого бетона из данной партии материала ВБФ. Вязкость контролируется в 10% замесов шликера во время работ с партией материала. В случае последующего отклонения вязкости шликера более чем на 10% от зафиксированной изначально необходимо вновь пересмотреть соотношения сухой смеси и связующего для данной партии материала.
Приготавливаемый на месте проведения работ по футеровке шликер заливают в заранее подготовленные для заполнения полости футеровки либо опалубки (или специальные разборные формы) и производят разглаживание (выравнивание по толщине) шликерной массы. Следует отметить, что внешне картина «холодного» вспучивания жидко-вязкой минеральной массы, затворенной фосфатным связующим, выглядит как приготовление теста.
После заливки шликера процесс вспучивания начинается не сразу. Ему предшествует индукционный период (период практически неизменяемого объема шликера), в течение которого на поверхности частиц газообразователя зарождаются очаги реакций без видимого газовыделения. Вслед за индукционным перио дом, длительность которого зависит от начальной температуры, химической активности вспучивателя и др. факторов, начинается ускоряющийся процесс газообразования. Нарастающий после периода индукции процесс газообразования в объеме минеральной массы сопровождается ее разогревом и подъемом массы.
Важной особенностью предложенной технологии «холодного» вспучивания является ярко выраженный экзотермический характер реакции гетерогенного взаимодействия твердого порошка газообразователя (вспучивателя) со связующим. Процесс вспучивания заканчивается при достижении температуры кипения воды мощным водоиспарением с выделением незначительного количества легкого газа (водорода) и одновременно протекающим процессом самоотверждения разжиженной шликерной массы. Выпаривание воды, газовыделение (паров воды и водорода) и небольшого запаха (не представляющего вреда здоровью) и отверждение массы происходит, как правило, очень бурно и скоротечно, процесс занимает не более 5... 10 минут.
Время формирования (завершения процесса вспучивания и отверждение) бетона после смешения с жидким компонентом от 3 до 24 ч, а конечная общая пористость от 30 до 85% в зависимости от марки бетона, объёма и формы изделия,. соотношения сухой смеси и связующего в шликерной массе, а также от температуры и влажности окружающей среды. Рекомендуемый диапазон поддержания рабочей температуры окружающей среды, необходимый для формирования бетона от 15С до 30С.
После разбора формы, (опалубки) получают достаточно прочное легкое пористое изделие (огнеупорный бетон), по размерам и конфигурации совпадающее с размерами заливной формы (опалубки или заранее отведенной полости футеровки). Опалубка может не разбираться, а оставаться в качестве конструктивного элемента теплового агрегата (например, металлическая обшивка котла).
После изготовления футеровку требуется просушить при комнатной температуре в течение не менее чем трёх суток. Затем требуется произвести обязательную сушку футеровки или изделий из ВБФ при температуре от 100С до 150С. Во время просушки производится контроль влажности футеровки или изделия из ВБФ согласно утверждённой методике экспресс анализа (приложение А).
По достижении требуемой влажности осуществляется выход теплового агрегата на рабочую температуру, который рекомендуется осуществлять по ступенчатому режиму, представленному в разделе 4.1.2 (рисунок 4.1).
Некоторые особенности работы с бетонами серии ВБФ:
1. Материал, формируемый из шликерной массы после завершения процесса вспучивания и самоотверждения, обладает высокими адгезионными свойствами к большинству строительных и конструкционных материалов: металлам, бетону, огнеупорным и теплоизоляционным материалам, дереву, материи, волокнистым материалам и др. (за исключением ряда пластических материалов, таких как: органическое стекло, полиэтилен, пропилен и т.п.). Для исключения эффекта прилипания образуемого материала (ячеистого бетона) к тому или иному материалу или элементу конструкции (например опалубке, литьевой форме и т.п.) можно использовать прокладки из полиэтиленовой пленки или органического стекла в местах нежелательного контакта, либо наносить на соприкасаемые от-раждающие поверхности смазку из отработанного машинного масла.
2. Сразу после приготовления шликера (обязательно до начала формирования ячеистого бетона) внутренние полости смесителей, емкостей, трубопроводов, разливочных чаш и т.п., а также рабочие поверхности используемого для приготовления ячеистого бетона инструмента следует тщательно отмыть горячей или холодной водой для исключения эффекта налипания образуемого ячеистого бетона на эти устройства и инструмент (в противном случае, весьма затруднительным будет восстанавление указанных устройств и инструмента до рабочего состояния).
3. В период фазы активного вспучивания и появления обильного газовыделения категорически запрещается вблизи формирования бетона курение, разжигание огня, проведение сварочных и других работ, связанных с появлением искр. При производстве работ с получением больших объемов ячеистых бетонов необходимо устанавливать систему приточно-вытяжной вентиляции.
