интегрированный высокотемпературный теплоизоляционный материал "итом" и способ его производства

Формула изобретения

1. Теплоизоляционный огнеупорный материал, изготовленный из шихты, включающей вспученный вермикулит, огнеупорную глину или каолин, полиэлектролит структурообразователь с наличием в полимерной молекуле карбоксильных, амидных, нитрильных и эфирных групп и дисперсный огнеупорный заполнитель, отличающийся тем, что шихта содержит в качестве дисперсного огнеупорного заполнителя пыль от электрофильтров вращающихся печей по производству шамота и шамот фракции менее 0,063 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

вспученный вермикулит 20-60,

огнеупорная глина или каолин 37-55,

пыль от электрофильтров 1-20,

шамот фракции менее 0,063 мм 1-30,

полиэлектролит структурообразователь 3-5 (сверх 100%),

причем количество полиэлектролита составляет 9% от массы огнеупорной глины или каолина.

2. Способ производства теплоизоляционного огнеупорного материала, включающий дозирование, перемешивание и увлажнение в смесителе компонентов шихты: вспученного вермикулита, огнеупорной глины или каолина и дисперсного огнеупорного заполнителя, формование сырца, его сушку и обжиг, отличающийся тем, что при приготовлении массы используют в качестве дисперсного огнеупорного заполнителя пыль от электрофильтров вращающихся печей по производству шамота и шамот фракции менее 0,063 мм и дополнительно 3-5 мас.% (сверх 100%) порошкообразного полиэлектролита структурообразователя с наличием в полимерной молекуле карбоксильных, амидных, нитрильных и эфирных групп, а после увлажнения приготовленную массу вылеживают в закрытой емкости не менее 24 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано в производстве изделий для теплоизоляции печных агрегатов и энергетического оборудования с температурой изолируемой поверхности до 1100° С.

Известен высокотемпературный теплоизоляционный материал, изготавливаемый из шихты, описанной в а.с.№1534038, состоящей из вспученного вермикулита, огнеупорной глины, отходов производства электрокорунда, отходов углеобогащения, при следующем соотношении компонентов, мас.%: вспученный вермикулит 26-42, огнеупорная глина 24-44, отходы производства электрокорунда 9-34, отходы углеобогащения 8-14. Известный материал обладает рядом недостатков - низкая прочность, большая воздушная и огневая усадки, приводящие к деформации изделий, что требует выполнения механической обработки для придания изделиям точных размеров и формы.

Известен способ производства теплоизоляционных керамовермикулитовых изделий, описанный в а.с.№ 1583395, включающий приготовление глиняного шликера, введение в него части огнеупорного заполнителя в количестве 25-45 мас.ч. от общего его содержания в массе, перемешивание образовавшейся смеси со вспученным вермикулитом и оставшейся частью огнеупорного заполнителя, подогретого до 80-95° С, выдерживание массы в течение 1,5-2,0 ч, формование, сушку и обжиг, высушенного сырца изделия в печи, предварительно разогретой до температуры 1150° С в течение 75-100 минут. Недостатки предлагаемого способа выражены в его низкой технологичности при организации поточного производства из-за повышенной влажности сырца после его формования, большой воздушной усадки сырца, высоких энергозатрат на его сушку, большой огневой усадки, что приводит к деформации изделий и необходимости дополнительной механической обработки изделий.

Наиболее близким по совокупности признаков (прототипом) к предлагаемому изобретению является высокотемпературный теплоизоляционный материал, изготавливаемый из шихты, описанной в патенте РФ № 2154042, состоящей из вспученного вермикулита, огнеупорной глины, пыли электрофильтров, бентонита и полиэлектролита структурообразователя с наличием в полимерной молекуле карбоксильных, амидных, нитрильных и эфирных групп, при следующем соотношении компонентов, мас.%: вспученный вермикулит 35-60, огнеупорная глина или каолин 36-43, пыль от электрофильтров 1-20, бентонит 1-3, полиэлектролит структурообразователь 0,3-0,6. Использование в качестве дисперсного огнеупорного заполнителя одной только пыли от электрофильтров, склонной к спеканию, повышает объемные усадочные изменения изделий при температуре эксплуатации (около 1000° С). Из-за присутствия низкоплавкого бентонита предельная температура эксплуатации материала снижается до 1000° С.

Наиболее близким по совокупности признаков (прототипом) к предлагаемому способу является способ производства высокотемпературного теплоизоляционного материала, описанный в упомянутом патенте РФ № 2154042, включающий дозирование, перемешивание, увлажнение водным раствором полиэлектролита-структурообразователя в смесителе компонентов массы, состоящей из легковесного и дисперсного огнеупорного заполнителя, огнеупорной глины, обработку ее в ленточном прессе, прессование сырца, сушку и обжиг. Недостатком данного способа является сложность операции прессования заготовки на ленточном прессе из массы, содержащей вспученный вермикулит, обладающей высоким упругим последействием, что приводит к нарушению сплошности сырца и получению дефектных изделий. Кроме того, изделия, полученные прессованием на ленточном прессе, имеют анизотропию физико-механических свойств (прочность, теплопроводность, тепловое расширение), что отрицательно сказывается на долговечности службы изделий.

Предлагаемый теплоизоляционный материал в сравнении с аналогами имеет минимальные (менее 1% при выдержке в течение 8 часов) объемные изменения при температуре службы, более высокую температуру начала размягчения (более 1100° С), что улучшает его эксплуатационные и ресурсные характеристики в службе, а благодаря малым и равномерным линейной и объемной усадке (воздушная 2,0-2,4%, огневая 2,2-2,3%) не происходит деформации изделий в сушке и после обжига. Указанный технический эффект достигается тем, что теплоизоляционный огнеупорный материал изготавливается из шихты, включающей вспученный вермикулит в качестве легковесного заполнителя, огнеупорную глину или каолин, полиэлектролит структурообразователь с наличием в полимерной молекуле карбоксильных, амидных, нитрильных и эфирных групп и дисперсный огнеупорный заполнитель, включающий пыль от электрофильтров вращающихся печей по производству шамота и шамот фракции менее 0,063 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Вспученный вермикулит 20-60

Огнеупорная глина или каолин 37-55

Пыль от электрофильтров 1-20

Шамот фракции менее 0,063 мм 1-30

Полиэлектролит структурообразователь 3-5 (сверх 100%)

а количество вводимого полиэлектролита структурообразователя составляет 9% от массы огнеупорной глины или каолина.

В предлагаемом способе, в сравнении прототипом, устранена операция предварительного прессования заготовки ленточным прессом, что упрощает формообразование сырца, значительно уменьшая количество дефектных заготовок, не требует приготовления и использования водного раствора полиэлектролита, создает изотропную интегрированную структуру изделия: в матрицу, образованную огнеупорными материалами (огнеупорная глина или каолин, шамот и пыль от электрофильтров), интегрированы частицы легковесного заполнителя - вермикулита, не имеющие направленной ориентации. Благодаря такой структуре устраняется анизотропия физико-химических и теплофизических свойств изделий, свойственная изделиям, прошедшим стадию предварительного прессования на ленточном прессе, при которой частицы вермикулита получают ориентацию вдоль оси прессования. Указанный технический результат достигается тем, что при реализации заявляемого способа производства теплоизоляционного огнеупорного материала включающего дозирование, перемешивание и увлажнение в смесителе компонентов шихты, состоящей из вспученного вермикулита в качестве легковесного заполнителя, огнеупорной глины или каолина и дисперсного огнеупорного заполнителя, в виде пыли от электрофильтров вращающихся печей по производству шамота и шамот фракции менее 0,063 мм, прессование сырца, его сушку и обжиг, причем при приготовлении массы в нее дополнительно вводится 3-5 мас.% (сверх 100%) порошкообразного полиэлектролита структурообразователя с наличием в полимерной молекуле карбоксильных, амидных, нитрильных и эфирных групп и вылеживание приготовленной массы в закрытой емкости не менее 24 часов.

Пыль от электрофильтров - это отходы производства шамота при обжиге огнеупорных глин и каолинов во вращающихся печах. Она представлена сферическими частицами с внутренней полостью частично дегидратированного глинистого минерала - каолинита. Пыль непластична, ее химический состав, мас.%: Аl₂ O₃ 35,4-42,2, Fе₂О₃ 1,28-3,08, SiO₂ 52,0-60,2, CaO 0,3-0,5, MgO 0,2-0,5, Nа₂ О+К₂О 0,1-0,5; потери массы при прокаливании 2-8, а гранулометрический состав, мас.%: фракция > 200 мкм 0,3-4,3, фракция 50-200 мкм 40,3-54,1, фракция 10-50 мкм 10,5-14,4, фракция 5-10 мкм 14,3-15,5, фракция 1-5 мкм 1,3-5,8, фракция <1 мкм 10,3-20,4.

Использование пыли от электрофильтров позволяет за счет наличия внутренней полости у ее частиц снизить плотность как сырца, так и готовых изделий, чем облегчается задача получения изделий с низкой плотностью (0,4-0,6 г/см³ ) и экстремально низкой теплопроводностью ( =0,1-0,2 Вт/(м· К)) при высокой прочности ( _сж=1,0-2,5 Н/мм²).

Добавление в массу дисперсного шамота (фракции менее 0,063 мм) способствует снижению объемной усадки (воздушная 2,0-2,4%, огневая 2,2-2,3%), сохранению точных геометрических размеров и формы изделий после сушки и обжига.

Введение в массу полиэлектролита структурообразователя в виде сухого твердого порошка позволяет уменьшить ее влажность. Предельное количество полиэлектролита структурообразователя может составлять 9% от массы огнеупорной глины (каолина).

Увеличение содержания вермикулита в шихте приводит к снижению кажущейся плотности и прочности, увеличение суммарного содержания шамота и пыли от электрофильтров при постоянном содержании вермикулита приводит к повышению кажущейся плотности, снижению воздушной и огневой усадки, увеличение содержания огнеупорной глины (каолина) приводит к повышению плотности и прочности изделий.

ПРИМЕР 1. Для производства теплоизоляционных огнеупорных материалов используют шихту следующего состава, маc.%:

Пластичный каолин 37

Вспученный вермикулит 58

Шамот фракции менее 0,063 мм 1

Пыль от электрофильтров 1

Полиэлектролит структурообразователь 3 (сверх 100%)

Предлагаемый способ заключается в следующем: весовым способом в заданном соотношении дозируют компоненты шихты (огнеупорную глину или каолин, вспученный вермикулит, пыль от электрофильтров, шамот фракции менее 0,063 мм, полиэлектролит структурообразователь), загружают последовательно в смеситель (Z-образная мешалка или двухвальный смеситель) и тщательно перемешивают, после чего производят увлажнение водой, перемешивают до получения однородной сыпучей массы, которую выгружают в закрытую емкость и вылеживают не менее 24 часов. При вылеживании вода воздействует на полиэлектролит структурообразователь, вызывая его набухание и пластификацию, повышая тем самым пластичные свойства массы и ее связность. После вылеживания из массы формуют изделия, которые сушат естественной или принудительной сушкой до остаточной влажности не более 5%, высушенные изделия обжигают при температуре 1000-1100° С.

ПРИМЕР 2. Отличается от примера 1 только составом шихты, маc.%:

Пластичный каолин 50

Вспученный вермикулит 48

Шамот фракции менее 0,063 мм 1

Пыль от электрофильтров 1

Полиэлектролит структурообразователь 4,5 (сверх 100%)

ПРИМЕР 3. Отличается от примера 1 только составом шихты, маc.%:

Пластичный каолин 40

Вспученный вермикулит 20

Шамот фракции менее 0,063 мм 25

Пыль от электрофильтров 15

Полиэлектролит структурообразователь - 4 (сверх 100%).

ПРИМЕР 4. Отличается от примера 1 только составом шихты, маc.%:

Пластичный каолин 45

Вспученный вермикулит 25

Шамот фракции менее 0,063 мм 10

Пыль от электрофильтров 20

Полиэлектролит структурообразователь 4,5 (сверх 100%)

Свойства теплоизоляционных огнеупорных материалов, описанных в примерах 1-4, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики ИТОМ.
№п/п	Наименование показателя	Значения показателей для примеров
№1	№2	№3	№4
1.	Кажущаяся плотность, кг/м 3	420-500	600-640	850-900	1000-1100
2.	Предел прочности при сжатии, Н/мм2	0,9-1,0	1,0-1,4	1,4-1,7	2,0-2,4
3	Пористость открытия, %	80-82	75-78	65-68	62-65
4.	Дополнительная линейная усадка при 1150° С,%	1,4-1,5	1,2-1,4	1,1-1,3	1,0-1,2
5.	Температура начала размягчения,° С
Под нагрузкой 0,05 Н/мм2	1109	1119	1135	1140
Под нагрузкой 0,04 Н/мм2	1120	-	-	-
Под нагрузкой 0,06 Н/мм2	-	1118	-	-
Под нагрузкой 0,08 Н/мм 2	-	-	1117	-
Под нагрузкой 0,1 Н/мм2	-	-	1108
6.	ТКЛР ( 20-900° С)-градус-1× 106	9,48	8,68	7,62	7,02
7.	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м× К)
	При средней температуре 200° С	0,090	0,120	0,183	0,230
	При средней темпсратуре 380° С	0,120	0,139	0,194	0,250
8.	Термостойкость, теплосмен (1000° С-воздух)	>100	>100	>100	>100