ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ОГНЕУПОРНЫХ БЕТОНОВ

Огнеупорными бетонами называют безобжиговые композиционные материалы с огнеупорностью от 1580°С и выше, состоящие из огнеупорного заполнителя, вяжущего материала, добавок и пор, затвердевающие при нормальной или повышенной температуре и обладающие ограниченной усадкой при температуре применения.

Развитие производства огнеупорных бетонов является одной из важнейших народнохозяйственных задач, так как их применение открывает широкие возможности индустриализации строительства и ремонта различных тепловых агрегатов во многих отраслях народного хозяйства. В наиболее развитых капиталистических странах производство огнеупорных бетонов достигает 35—40 % от объема производства штучных огнеупорных изделий. Экономические преимущества огнеупорных бетонов перед мелкоштучными огнеупорными изделиями во многих случаях применения огнеупорных бетонов в футеровке печей неоспоримы. Важно отметить, что огнеупорные бетоны (блоки и монолитные футеровки) имеют и ряд принципиальных технических преимуществ перед обожженными изделиями. Перечислим некоторые из них. Разрушение огнеупорной кладки, как правило, начинается по швам. В монолитной бетонной футеровке швы полностью отсутствуют. Изделия обжигают в окислительной газовой среде и их фазовый состав характеризуется высшими оксидными формами компонентов. Служат же изделия во многих случаях в восстановительной среде. Поэтому в службе происходит изменение первоначального фазового состава, сопровождающееся изменением объема минералов, что приводит к разупрочнению изделий. Затем, в процессе обжига изделий некоторые минералы кристаллизуются из жидкой фазы, в службе же изделий происходит обратный процесс — образование жидкой фазы и растворение в ней минералов. Поскольку объемы жидкого и твердого состояния различны (для оксидных веществ объем расплава на 10—15;% больше твердого состояния), то при фазовых переходах происходит «расшатывание» структуры, обусловливающее повышение свободной энергии огнеупора. Таким образом, структура и фазовый состав обожженных изделий часто не соответствуют условиям службы. В огнеупорных бетонах структура и фазовый состав в значительной степени создаются в службе и поэтому находятся в соответствии (как бы в равновесии) с условиями службы. Следующим преимуществом огнеупорных бетонов является их более высокая термостойкость в сравнении с обожженными изделиями при одинаковой пористости и однотипности огнеупорной основы. При нелинейном падении температуры по толщине кладки на разных ее участках образуются различные градиенты температур и, следовательно, возникают различные термические напряжения. В случае обожженных изделий термические напряжения «встречают» одинаковую структуру, а в случае бетонов на каждом участке создается структура, соответствующая данному градиенту температур. Поэтому огнеупорные бетоны обладают большей способностью релаксировать напряжения. И, наконец, важным преимуществом огнеупорных бетонов является их существенно меньшая теплопроводность. Основными недостатками огнеупорных бетонов являются: низкое сопротивление истиранию, «провал прочности» в определенном интервале температур и др. Поэтому вообще нельзя противопоставлять огнеупорные бетоны огнеупорным изделиям.

В качестве огнеупорных заполнителей применяют материалы, устойчивые в условиях воздействия высоких температур и не образующие с вяжущим легкоплавких эвтектик. В принципе всякий огнеупорный безусадочный материал может быть заполнителем.

Подбор составов плотных огнеупорных бетонов осуществляют, исходя из принципа минимальной пористости и усадки, а также обеспечения заполнения пустот между зернами заполнителя вяжущим с таким расчетом, чтобы достичь необходимую удобоукладываемость смеси.

Для двухфракционных смесей заполнителей максимальная упаковка достигается при содержании 60—70 % крупной и 30—40 % мелкой фракции. Максимальный размер зерна при этом ограничивается 20—30 мм. Для обеспечения плотной упаковки должно выполняться условие, чтобы средний диаметр мелкого заполнителя был в 6—7 раз меньше, чем крупного. В технологии теплоизоляционных огнеупорных бетонов стремятся получить максимальную пористость при достаточной прочности.

Под вяжущим веществом огнеупорных бетонов понимают дисперсионную систему, состоящую из дисперсионной фазы (огнеупорного материала крупностью ниже 0,09 мм — цемента) и дисперсионной среды — химической связки.

По характеру твердения вяжущие классифицируют на следующие группы:

Гидратационные вяжущие представляют собой дисперсные системы, в которых в качестве дисперсной фазы используют высокоглиноземистый, глиноземистый, барий-алюминатный, периклазовый цементы, полуводный гипс, портландцемент и другие гидравлические вяжущие, а в качестве дисперсионной среды — воду.

В полимеризационных (поликонденсационных) и перекристаллизационных вяжущих «химической» связкой являются ортофосфорная кислота и ее соли, растворимое стекло, алкилкремниевые эфиры, элементоорганические соединения, золи и гели некоторых оксидов, высококонцентрированные суспензии оксидов, магнезиальные оксихлоридные и оксисульфидные соединения и др.

Коагуляционные вяжущие — это огнеупорная глина, бентонит, кремнийорганические вещества (до температуры их разложения, выше — кремнийорганические вещества являются полимеризационными вяжущими).

Органические —смоляные, смолопековые, крахмал, декстрин, термореактивные продукты и системы, имеющие в основе своего строения ароматические и конденсированные ароматические структуры с гексаметилентетрамином (отвердитель) и др.

В зависимости от состава вяжущего при твердении бетонов могут протекать процессы полимеризации, поликонденсации, образования водородных связей и др.

Вид вяжущего вещества подбирают исходя из двух основных условий: 1) объемопостоянства неформованных материалов (бетонов) и 2) требуемой прочности во всем температурном интервале от комнатной до температур службы.

Объемопостоянство — основное требование к огнеупорным бетонам. Наиболее опасны для разрушения бетона усадочные явления. При этом бетон работает на разрыв, а значение предела прочности бетона на растяжение, как известно, значительно меньше, чем на сжатие. При лабораторном испытании качества огнеупорных бетонов усадка при температуре применения в течение 5 ч нагревания должна составлять не более 1 % Для плотных бетонов и- 2 % — для теплоизоляционных. Из этого условия определяют температуру применения. Рост бетона при температуре службы допускается до 3 % •

При разработке технологии бетонов необходимо подбирать составы, обеспечивающие достаточную прочность при

различных температурных условиях их эксплуатации.

Прочность огнеупорных бетонов в зависимости от температуры меняется следующим образом:

при твердении, происходящем при относительно низких температурах (примерно до 300 °С), прочность повышается;

в интервале 300—1000°С, связанном, в основном, с дегидратацией вяжущего, с потерей химически связанной воды, разрушением полимерно-конденсационной структуры бетонов, прочность снижается («провал прочности»);

при температуре более 1000°С происходит спекание и прочность повышается.

Если в производстве строительных бетонов стремятся к получению бетонов с максимальной прочностью при комнатной температуре, то в технологии огнеупорных бетонов прочность при комнатной температуре должна быть только достаточной, с точки зрения транспортабельности. Твердение вяжущих обеспечивает обычно такую достаточную прочность (при производстве блоков, например, для их последующей транспортировки и монтажа достаточна прочность 10—30 МПа). Разупрочнение бетонов, в общем, — нежелательное явление, но оно не всегда приводит к трещи-нообразованию и полному разрушению. Прочность огнеупорных бетонов является сложной функцией прочности заполнителя, вяжущего, прочности контактной фазы и, особенно, наличия в системе усадочных, термических и других напряжений. В огнеупорных бетонах компоненты обладают различной прочностью и деформативностью, вследствие чего напряжения в них распределены неравномерно. Последние будут концентрироваться на компонентах с высоким модулем упругости (заполнителях), уменьшаясь на компонентах с низким модулем упругости. Этот фактор обусловливает более высокую прочность бетона с прочными заполнителями.

Количество вяжущего в составе бетона часто определяется компромиссными условиями. С одной стороны, чем больше вяжущего, тем прочнее материал при комнатной температуре, но с другой стороны, в этом случае образуется больше жидкой фазы при высоких температурах. Практически количество вяжущего принимают таким, чтобы при температурах службы изделий количество жидкой фазы не превышало 10—15 %.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самохвалов Г.В. Учебно–методическое пособие по проектированию металургических печей. Учеб. пособие. /Сиб. Металлург. ин–т. – Новокузнецк, 1991 г. – 109с., ил.

2. Компьютерные методы проектирования: Лабораторный практикум Ч.1/ Сост.: М.В. Темлянцев, Н.В. Тмелянцев: СибГИУ. – Новокузнецк, 2006.

3. Расчет нагревательных и термических печей: Справ. Изд. Под ред. Тымчака В.М. и Гусовского В.Л. Авт.: Василькова С.Б., Генкина М.М., Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е, Масалович В.Г., Перимов А.А., Спивак Э.И., Тымчак В.М.М.: Металлургия, 1983. – 480 с.

4. Методические указания к курсовому проектированию металлургических нагревательных печей. О. Я. Логунов. г. Новокузнецк, 1971. – 68 с.

5. Винтовкин А.А., Ладыгичев М.Г., Гусовский В.Л., Усачев А.Б. Современные горелочные устройства (конструкции и технические характеристики): Справочное издание/ А.А. Винтовкин и др. – М.: Машиностроение–1, 2001. – 496 с.

6. Сборник примеров решения задач по механике жидкости и газа: учеб. пособие/Н.И. Трофимов, Г.И. Черныш, Ю.Е. Михайленко, В.М. Павловец/ СибГИУ. – Новокузнецк, 1998. – 144с.

7. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. Стрелов К.К.: Металлургия, 1985. – 480 с.