сырьевая смесь для огнеупорного теплоизоляционного бетона

Формула изобретения

Сырьевая смесь для изготовления огнеупорного теплоизоляционного бетона, содержащая вспученный наполнитель, высокоглиноземистый компонент, высокоглиноземистый цемент, кианит, воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит микрокремнезем и пластификатор, в качестве вспученного наполнителя использованы алюмосиликатные полые микросферы, в качестве высокоглиноземистого компонента плотноспеченный боксит в следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюмосиликатные полые микросферы	15-40
плотноспеченный боксит	40-56
высокоглиноземистый цемент	6-10
кианит	5-20
микрокремнезем	3-5
пластификатор (сверх 100%)	0,3-0,5
вода (сверх 100%)	10-17,5

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано при производстве огнеупорных теплоизоляционных бетонов для изготовления монолитных футеровок тепловых агрегатов, а также безобжиговых огнеупорных теплоизоляционных изделий.

Известны сырьевые смеси для производства легкого бетона, содержащие высокоглиноземистый цемент, шлаковую пемзу, воду [Патент РФ №2247093, МПК С04В 28/06 23.09.2005]; цемент, трепел, микросферы, воду [Патент РФ №2277076, МПК С04В 38/08 27.05.2006].

К недостаткам указанных аналогов относится низкая температура применения.

Наиболее близким техническим решением является теплоизоляционная огнеупорная масса [Ротенберг Г.Б. Огнеупорные материалы. М.: Металлургия, 1980. с.253-254], содержащая вспученный наполнитель из глины, высокоглиноземистый наполнитель (обожженный оксид алюминия), высокоглиноземистый цемент, кианит, глину, воду.

Однако данный материал обладает малым пределом прочности при сжатии и разупрочнением при нагреве.

Задачей изобретения является повышение прочности при сжатии и получение не имеющего разупрочнения во всем интервале рабочих температур огнеупорного теплоизоляционного бетона.

Поставленная задача достигается за счет того, что в состав для изготовления огнеупорного теплоизоляционного бетона, включающий вспученный наполнитель, высокоглиноземистый компонент, высокоглиноземистый цемент, кианит, воду, дополнительно введены микрокремнезем и пластификатор, в качестве вспученного наполнителя использованы алюмосиликатные полые микросферы, а в качестве высокоглиноземистого компонента - плотноспеченный боксит в следующем соотношении компонентов (мас.%): алюмосиликатные полые микросферы 15-40; плотноспеченный боксит 40-56; высокоглиноземистый цемент 6-10; кианит 5-20; микрокремнезем 3-5; пластификатор (сверх 100%) 0,3-0,5; вода (сверх 100%) 10-17,5.

Алюмосиликатные полые микросферы - легкая фракция золы-уноса тепловых электростанций представляют собой мелкодисперсный неслеживающийся материал серовато-белого цвета со следующим химическим составом, мас.%: 28-33 Al₂О₃ , 54-56 SiO₂, 4,5-5,5 Na ₂O+K₂О, 1-2 Fe₂ O₃, 10-12 СаО. Зерновой состав сфер колеблется от 30 до 300 мкм, толщина стенок - от 2 до 30 мкм (в среднем 7 мкм). Насыпная масса микросфер в неуплотненном состоянии составляет 350-400 кг/м³, плотность вещества стенок ˜2,5 г/см³. Минеральный состав материала представлен стеклофазой, муллитом и кварцем, газовая среда внутренней полости сфер содержит азот, кислород, углекислый газ и водяные пары. Теплопроводность равна 0,05-0,10 Вт/(м·К).

В качестве высокоглиноземистого компонента используется плотноспеченный боксит марки Rota HD (китайского производства), имеющий усредненный химический состав, мас.%: 88,0 Al₂О ₃, 5,0 SiO₂, 1,5 Fe ₂O₃, 4,5 TiO₂ , 0,25 Na₂O+Ka₂O, 0,5 CaO+MgO.

Высокоглиноземистый цемент с содержанием Al ₂О₃ не менее 75 мас.% соответствует ГОСТ 969-91.

Кианитовый концентрат имеет усредненный химический состав, мас.%: 42,65 SiO₂, 54,59 Al ₂О₃, 0,73 СаО, 0,34 MgO, 1,32 Fe ₂O₃, 0,23 K₂ O, 0,14 Na₂O.

Микрокремнезем по ТУ 5743-048-02495332-96 представляет собой высокодисперсный аморфный кремнезем, являющийся отходом производства при получении ферросилиция.

Пластификатор - суперпластификатор С-3 соответствует ТУ 6-36-020-4229-625-90.

Использование в патентуемом составе алюмосиликатных полых микросфер позволяет иметь низкую кажущуюся плотность бетона с момента заливки до максимальных температур применения. Хотя сами сферы достаточно легкоплавки и имеют низкое содержание Al ₂О₃, применение в качестве связующего материала высокоогнеупорного высокоглиноземистого материала позволяет достичь того, что при повышенных температурах связующая часть активно взаимодействует со сферами с образованием вторичного муллита и объемным расширением. Таким образом, легкоплавкий стеклообразный материал сфер замещается огнеупорной кристаллической фазой - муллитом и не происходит значительных объемных изменений, т.к. расширение при образовании муллита компенсирует усадку и частично происходит за счет полостей сфер. Добавка кианита, который в интервале температур 1300-1400°С разлагается на муллит и кремнеземистое стекло с необратимым объемным расширением 17-23%, позволяет регулировать объемные изменения бетона в высокотемпературной области.

Достижение технического результата за счет введения добавок микрокремнезема и пластификатора объясняется следующим образом.

В водной среде (после затворения) микрокремнезем вступает в химическое взаимодействие с СаО (компонентом высокоглиноземистого цемента) по реакции Са(ОН)₂+SiO ₂ (гель) = CSH (гель) с образованием гидросиликата кальция, отличающегося развитой пространственной структурой и способствующего более полному заполнению пор в формирующейся матрице бетона, что повышает и прочность всей структуры бетона. Введение микрокремнезема и пластификатора существенно улучшает реологические свойства бетонной смеси и понижает ее водопотребность, за счет чего снижается пористость матрицы и повышается прочность.

Одним из недостатков гидравлически твердеющих бетонов является разупрочнение при 600-1000°С, связанное с дегидратацией цемента. Микрокремнезем, имея высокую удельную поверхность, обладает избыточной поверхностной энергией, благодаря которой происходит спекание при низких температурах, что способствует упрочнению.

Использование плотноспеченного боксита и алюмосиликатных полых микросфер в качестве высокоглиноземистого и вспученного наполнителей обусловлено их доступностью, невысокой стоимостью и достаточно высокими огневыми свойствами. Применение полых микросфер позволяет также решать проблему утилизации отходов энергетической промышленности.

Образцы для испытаний изготовлялись следующим образом.

Перечисленные компоненты тщательно перемешивались в сухом состоянии. Далее в смесь вводилась вода с растворенными в ней пластификаторами. Заливка образцов осуществлялась методом виброформования на вибростоле. Формы разбирались через 12 ч, затем образцы выдерживались 3 сут. во влажной среде для набора прочности.

Кажущаяся плотность и открытая пористость определялись по ГОСТ 2409-95.Предел прочности при сжатии, теплопроводность, дополнительная линейная усадка определялись по ГОСТ 10180-90, ГОСТ 12170-85, ГОСТ 5402-81 соответственно.

Составы и свойства патентуемых составов приведены в табл.1 и 2, прототипа - в табл.3.

Из данных таблиц 1-3 следует, что патентуемые составы в отличие от прототипа позволяют получать более прочный на сжатие после сушки и высокопрочный после обжига теплоизоляционный огнеупорный бетон с температурой применения не ниже 1450°С, в котором отсутствует разупрочнение во всем интервале рабочих температур. Бетон может применяться для изготовления монолитных футеровок тепловых агрегатов (например, сводов сталеплавильных агрегатов), а также безобжиговых огнеупорных легковесных изделий (например, крышек желобов доменных печей).

Таблица 1
Составы легковесного огнеупорного бетона
Компоненты	Содержание в составе смеси, мас.%
	1	2	3
Алюмосиликатные полые микросферы	15	25	40
Плотноспеченный боксит	56	51	40
Кианит	20	12	5
Высокоглиноземистый цемент	6	8	10
Микрокремнезем	3	4	5
Пластификатор (сверх 100%)	0,3	0,4	0,5
Вода (сверх 100%), мас.%	10	13,5	17,5

Таблица 2
Свойства легковесного огнеупорного бетона
Свойства		Состав
		1	2	3
Кажущаяся плотность, г/см 3	110°С, 24 ч	1,85	1,46	1,15
	1400°С, 2 ч	1,75	1,36	1,10
Открытая пористость, %	110°С, 24 ч	17,0	20,5	22,0
	1400°С, 2 ч	43,5	55,5	60,5
Предел прочности при сжатии, МПа	110°С, 24 ч	13	10	9
	800°С, 3 ч	15	13	10
	1100°С, 3 ч	20	18	16
	1400°С, 2 ч	55	40	31
Линейные изменения, %	110°С, 24 ч	0,0	0,0	0,0
	1400°С, 2 ч	+0,2	+0,4	+0,4
Дополнительная линейная усадка, %	1450°С, 5 ч	-0,6	-0,8	-0,8
Теплопроводность при средней температуре образца 350±25°С, Вт/(м·К)		1,2	0,6	0,4

Таблица 3
Состав и свойства прототипа
Показатель	Значение
Вспученный наполнитель (плотность 0,15-0,18 г/см3) из глины, мас.%	10,0
Высокоглиноземистый наполнитель (обожженный оксид алюминия), мас.%	2,5
Высокоглиноземистый цемент, мас.%	25,0
Кианит, мас.%	35,0
Глина, мас.%	27,5
Вода (сверх 100%), мас.%	18,5
Кажущаяся плотность после 65°С/815°С, г/см3	1,44/1,36
Предел прочности при сжатии после 65°C/815°C/1090°C, МПа	8,75/6,44/5,67
Линейные изменения после 1370°С, %	+2,2