Жаростойкий бетон

Жаростойкий бетон

Реферат

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к жаростойким бетонам, предназначенным для применения в конструкциях, подверженных воздействию температуры до 1000°С, преимущественно, для футеровки оборудования для литья алюминия, например, ковшей, дозаторов, желобов.

Известен жаростойкий бетон, предназначенный для применения в конструкциях, подверженных воздействию температуры до 1100°С, и содержащий добавки, в качестве которых использованы феррохромовый шлак и нейтрализованный гальваношлам, мелкий заполнитель, в качестве которого использован тонкомолотый шамот, крупный заполнитель, в качестве которого использован нефракционированный ошлакованный шамотный лом с размером зерен 0,01-20,00 мм, жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%: феррохромовый шлак - 3-6; нейтрализованный гальваношлам - 1-5; тонкомолотый шамот - 8-11; нефракционированный ошлакованный шамотный лом с размером зерен 0,01-20,00 мм - 60-67; жидкое стекло - 17-22 (см. патент РФ №2187482, МПК⁷ С 04 В 28/26, С 04 В 111:20, С 04 В 33/22).

Основными недостатками данного жаростойкого бетона являются низкая остаточная прочность на сжатие вследствие высокого содержания жидкого стекла и отсутствие возможности использования при футеровке оборудования для литья алюминия из-за формирования нарастающего плотного прочного слоя шлаковых наростов на футеровке, обусловленного низкой химической стойкостью бетона по отношению к расплаву алюминия и его сплавов и высокой смачиваемостью поверхностей. Низкая химическая стойкость бетона по отношению к расплаву алюминия и его сплавов, высокая смачиваемость поверхностей футеровки расплавом алюминия и его сплавов вызваны использованием в составе бетона тонкомолотого шамота и нефракционированного ошлакованного шамотного лома (см. Сасса В.С. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. - М.: Энерго-атомиздат, 1983, с.79-82), так как при взаимодействии алюминия с тонкомолотым шамотом и нефракционированным ошлакованным шамотным ломом на поверхности бетона образуется плотный прочный трудноотделяемый слой продуктов химической реакции, основной минеральной фазой которого является α-Al₂О₃, имеющий высокую прочность сцепления с поверхностью шамота, что приводит к усиленному трещинообразованию и разрушению бетона.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является жаростойкий бетон, предназначенный для футеровки тиглей печей алюминиевого производства с температурой применения 730-1000°С и содержащий тонкомолотую добавку, в качестве которой использован тонкомолотый магнезит, мелкий заполнитель, в качестве которого использован шамотный заполнитель с размером зерен 0,15-5,00 мм, крупный заполнитель, в качестве которого использован шамотный заполнитель с размером зерен 5-10 мм, кремнефтористый натрий и жидкое стекло плотностью 1360-1380 кг/м³ при следующем соотношении компонентов, мас.%: тонкомолотый магнезит - 28-30; мелкий шамотный заполнитель с размером зерен 0,15-5,00 мм - 25-30; крупный шамотный заполнитель с размером зерен 5-10 мм - 25-30; кремнефтористый натрий - 1,2; жидкое стекло плотностью 13 60-1380 кг/м³ - 12-15 (см. Cacca В.С. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. - М.: Энергоатомиз-дат, 1983, с.81-82).

Основными недостатками жаростойкого бетона, обуславливающими низкий срок службы оборудования для литья алюминия, являются низкие характеристики термической стойкости и остаточной прочности на сжатие (см. таблицу, пункты 3, 4, 5), формирование нарастающего трудноудаляемого плотного прочного слоя шлаковых наростов на соприкасающихся с алюминием поверхностях футеровки, связанное с высокой смачиваемостью поверхностей футеровки расплавом алюминия и его сплавов (см. таблицу, пункт 6).

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение характеристик термической стойкости, остаточной прочности на сжатие жаростойкого бетона и обеспечение отсутствия налипания шлаков на соприкасающиеся с расплавом алюминия поверхности, в частности, футеровку, что приводит к увеличению срока службы оборудования для литья алюминия.

Для получения названного технического результата жаростойкий бетон, содержащий тонкомолотую добавку, мелкий заполнитель, крупный заполнитель, кремнефтористый натрий и жидкое стекло плотностью 1360-1380 кг/м³, согласно изобретению содержит в качестве тонкомолотой добавки волластонит с размером частиц менее 0,15 мм, в качестве мелкого заполнителя - волластонит с размером зерен 0,15-5,00 мм, в качестве крупного заполнителя - волластонит с размером зерен 5,00-10,00 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: тонкомолотый волластонит с размером частиц менее 0,15 мм - 28-30; волластонит с размером зерен 0,15-5,00 мм - 23-27; волластонит с размером зерен 5,00-10,00 мм - 28-32; кремнефтористый натрий - 1,1-1,3; жидкое стекло плотностью 1360-1380 кг/м³ - 11-13.

При этом в качестве тонкомолотой добавки жаростойкий бетон содержит 55-85 мас.% волластонита с размером частиц менее 0,085 мм.

Повышение характеристик термической стойкости и остаточной прочности на сжатие достигается предлагаемым составом жаростойкого бетона, позволяющим создать плотную однородную структуру с требуемой удобоукладываемостью, в который введен волластонит, позволяющий увеличить прочность, химическую и термическую стойкость жаростойкого бетона (см. таблицу, пункты 3, 4, 5) при температуре применения до 1000°С.

Обеспечение отсутствия налипания шлаков на соприкасающиеся с расплавом алюминия поверхности, в частности, футеровки оборудования для литья алюминия, обусловлено введением в состав бетона волластонита, что позволяет снизить смачиваемость и исключить химическое взаимодействие предлагаемого бетона с расплавом алюминия и его сплавов (см. таблицу, пункт 6).

Расход смеси тонкомолотой добавки и кремнефтористого натрия, являющегося отвердителем для жидкого стекла, зависит от объема пустот, образовавшихся при уплотнении мелкого и крупного заполнителей, с учетом коэффициента избытка вяжущего теста, состоящего из тонкомолотой добавки, кремнефтористого натрия и жидкого стекла. Содержание в жаростойком бетоне тонкомолотого волластонита 28-30 мас.% является оптимальным, так как при данной степени наполнения обеспечивается заполнение пустот между зернами мелкого и крупного заполнителей вяжущим тестом с таким расчетом, чтобы была получена необходимая удобоукладываемость.

При содержании в жаростойком бетоне тонкомолотого волластонита менее 28 мас.% бетонная смесь будет жесткой вследствие малого количества тонкомолотых частиц, а при содержании тонкомолотого волластонита в количестве более 30 мас.% увеличится расход жидкого стекла, что приведет к снижению остаточной прочности бетона на сжатие.

Количественные соотношения между мелким и крупным заполнителями выбраны с учетом создания структуры с минимальной пористостью и усадкой бетона. При этом за мелкую фракцию принимается волластонит с размером зерен 0,15-5,00 мм, а за крупную фракцию - волластонит с размером зерен 5,00-10,00 мм. Максимальная плотность достигается при соотношении мелкой и крупной фракции 65:35 мас.%, т.е. при большем расходе мелкого заполнителя. Однако экспериментальные исследования показали, что при данном расходе мелкой фракции потребность в жидком стекле значительно возрастает вследствие ее большей удельной поверхности, и снижается прочность жаростойкого бетона. С учетом расхода жидкого стекла было установлено, что оптимальное соотношение мелкой и крупной фракций достигается в пределах диапазона от 60:40 мас.% до 40:60 мас.%. При увеличении доли крупной фракции бетонная смесь получается недостаточно плотной, что приводит к снижению прочности (см. Тарасова А.П. Жаростойкие вяжущие на жидком стекле и бетоны на их основе. - М., 1982, с. 51-52).

Введение волластонита с размером зерен 0,15-5,00 мм в количестве 23-27% от массы жаростойкого бетона является оптимальным, так как способствует формированию бетона плотной структуры с высокой прочностью.

Введение волластонита с размером зерен 0,15-5,00 мм в количестве менее 23% от массы жаростойкого бетона приведет к снижению плотности, что может привести к понижению прочности и увеличению пористости бетона.

Введение волластонита с размером зерен 0,15-5,00 мм в количестве более 27% от массы жаростойкого бетона приведет к уменьшению прочности за счет увеличения расхода жидкого стекла и соответственно увеличения содержания воды в бетоне.

Введение волластонита с размером зерен 5,00-10,00 мм в количестве 28-32% от массы жаростойкого бетона является оптимальным, так как позволяет получить наилучшее сочетание прочности и термостойкости бетона.

Введение волластонита с размером зерен 5,00-10,00 мм в количестве менее 28% от массы жаростойкого бетона приведет к увеличению содержания волластонита с размером зерен 0,15-5,00 мм и соответственно к увеличению расхода жидкого стекла, что снизит прочность бетона.

Введение волластонита с размером зерен 5,00-10,00 мм в количестве более 32% от массы жаростойкого бетона приведет к уменьшению плотности бетона, что снизит его прочность и термостойкость.

Количество жидкого стекла зависит от количества тонкомолотых частиц волластонита, водопоглощения заполнителя и плотности жидкого стекла. Содержание в жаростойком бетоне жидкого стекла в количестве 11-13 мас.% является оптимальным, так как для обеспечения удовлетворительных огнеупорных свойств бетона в его состав следует вводить минимальное количество жидкого стекла при условии обволакивания каждого зерна заполнителя и связывания зерен заполнителя в монолитный камень.

При введении жидкого стекла менее 11 мас.% консистенция бетона получается жесткой, не обеспечивается смачивание всех тонкомолотых частиц волластонита.

При введении жидкого стекла более 13 мас.% наблюдается его избыток, увеличивается количество воды в бетоне, в результате чего повышается его пористость, а прочность снижается.

Оптимальная плотность жидкого стекла с силикатным модулем 2,6-3,0 с учетом огнеупорных и прочностных свойств по экспериментам равна 1360-1380 кг/м³ (см. Тарасова А.П. Жаростойкие вяжущие на жидком стекле и бетоны на их основе. М., 1982, с.38).

Введение отвердителя жидкого стекла, кремнефтористого натрия, в количестве 1,1-1,3 мас.% от общей массы вещества является оптимальным и определяется в зависимости от количества жидкого стекла, принимается в количестве 10-12 мас.% от массы жидкого стекла (Новое в технологии жаростойких бетонов. Под ред. К.Д.Некрасова. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1981, с. 42).

При введении кремнефтористого натрия в количестве менее 1,1% от массы жаростойкого бетона процесс твердения происходит не полностью, что приводит к снижению прочности бетона.

При введении кремнефтористого натрия в количестве более 1,3 мас.% от массы жаростойкого бетона скорость процессов схватывания и твердения резко нарастает, что затрудняет укладку бетона.

Зерновой состав волластонита, то есть размеры частиц тонкомолотого волластонита, составляющие менее 0,15 мм, размеры зерен волластонита, составляющие 0,15-5,00 мм и 5,00-10,00 мм, выбраны в соответствии с требованиями ГОСТ 20910-90.

Содержание тонкомолотого волластонита с размерами частиц менее 0,085 мм - 55-85 мас.% является оптимальным, так как в данном случае получают бетон с удобными для изготовления сроками схватывания и уменьшенными воздушной и температурной усадкой.

Предлагаемое изобретение поясняется таблицей, на которой представлены сравнительные свойства заявляемого жаростойкого бетона и жаростойкого бетона, выбранного в качестве прототипа.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующим примером. В качестве исходных компонентов жаростойкого бетона использовали тонкомолотый волластонит, 28 мас.%, с содержанием CaSiO₃ не менее 80% (остальное примеси по ТУ 5716-001-27083818-2003) и с размерами частиц менее 0,15 мм, в частности, 65 мас.% тонкомолотого волластонита имеет размеры частиц менее 0,085 мм; волластонит с размерами зерен 0,15-5,00 мм - 26 мас.%; волластонит с размерами зерен 5,00-10,00 мм - 32 мас.%; кремнефтористый натрий с содержанием Na₂SiF₆ не менее 93% (остальное - примеси по ТУ 113-08-587-86) - 1,3 мас.%; жидкое стекло плотностью 1360 кг/м³ с силикатным модулем 2,6 - 12,7 мас.%.

Жаростойкий бетон приготовляли следующим образом. Смешали тонкомолотый волластонит с кремнефтористым натрием. Смешение производили в механической бето-номешалке принудительного действия до состояния равномерного смешивания в течение 1 минуты. Заливали в смесь жидкое стекло в объеме 90% расчетного и перемешивали смесь в течение не менее 5 минут до получения однородной массы - вяжущего теста из тонкомолотого волластонита, кремнефтористого натрия и жидкого стекла. Загружали вол-ластонит с размером зерен 0,15-5,00 мм и волластонит с размером зерен 5,00-10,00 мм, доливали остальную часть жидкого стекла и перемешивали бетонную смесь до полной однородности, но не менее 5 минут.

Набивку бетонной смеси производили пневматической трамбовкой, работающей при давлении воздуха не ниже 0,5-0,6 МПа. При набивке использовали бойки двух типов:

круглые и клиновидные, то есть выполненные в виде клина, заостренного под углом 90°. Укладку бетона производили слоями, толщиной не более 30-50 мм.

Твердение бетона производили в воздушно сухих условиях в течение 3 суток при температуре не менее 15°С. Таким образом получали жаростойкий бетон с температурой применения до 1000°С, не смачиваемый и не взаимодействующий с расплавом алюминия, стойкий к воздействию многокомпонентных шлаков, образующихся при плавке.

Как следует из таблицы, у предлагаемого жаростойкого бетона остаточная прочность на сжатие в 1,7 раза выше, число теплосмен до появления трещин в 1,6 раза больше, число теплосмен до разрушения в 1,8 раза больше, чем аналогичные свойства жаростойкого бетона, выбранного в качестве прототипа, при одинаковых показателях объемной массы и времени схватывания бетонов. Отсутствие налипания шлака на футеровку из жаростойкого бетона в оборудовании для литья алюминия осуществляется при использовании бетона заявляемого состава.

Таким образом, предлагаемый бетон обладает повышенными характеристиками термической стойкости, остаточной прочности на сжатие, является стойким к расплаву алюминия, его сплавов и шлаков, образующихся при их плавлении, не смачивается ими, что позволяет применять его с целью увеличения сроков службы оборудования для литья алюминия.

ТаблицаСравнительные свойства заявляемого жаростойкого бетона и жаростойкого бетона, выбранного в качестве прототипа.
№п/п	Характеристика свойств	Заявляемый жаростойкий бетон	Жаростойкий бетон -прототип
1	Объемная масса,кг/м3	2300-2400	2500
2	Время схватывания, мин	45-60	45-60
3	Остаточная прочность на сжатие, МПа	21	12
4	Число теплосмен до появления трещин	8	5
5	Число теплосмен до разрушения	14	8
6	Налипаемость продуктов окисления алюминия и шлаков на поверхность футеровки из жаростойкого бетона в оборудовании для литья алюминия	Низкая - слой тонкий, без признаков эрозии	Высокая - слой толстый, с признаками эрозии

1. Жаростойкий бетон, содержащий тонкомолотую добавку, мелкий заполнитель, крупный заполнитель, кремнефтористый натрий и жидкое стекло плотностью 1360-1380 кг/м³, отличающийся тем, что в качестве тонкомолотой добавки он содержит волластонит с размером частиц менее 0,15 мм, в качестве мелкого заполнителя - волластонит с размером зерен 0,15-5,00 мм, в качестве крупного заполнителя - волластонит с размером зерен 5,00-10,00 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Тонкомолотый волластонит с размером частиц менее 0,15 мм	28-30
Волластонит с размером зерен 0,15-5,00 мм	23-27
Волластонит с размером зерен 5,00-10,00 мм	28-32
Кремнефтористый натрий	1,1-1,3
Жидкое стекло плотностью 1360-1380 кг/м3	11-13

2. Бетон по п.1, отличающийся тем, что в качестве тонкомолотой добавки он содержит тонкомолотый волластонит с размерами частиц менее 0,085 мм - 55-85 мас.%.