Результат интеллектуальной деятельности: ОГНЕУПОРНАЯ КЛЕЕВАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к огнеупорным клеевым композициям на основе неорганических компонентов с водорастворимыми силикатами щелочных металлов для изготовления огнеупорных обожженных шамотных элементов сложной конфигурации, для соединения между собой обожженных шамотных элементов при монтаже модульных дымоходных систем и огнеупорных футеровок тепловых агрегатов.

Среди применяемых в настоящее время дымоходных систем особо выделяются керамические системы. Они отличаются высокой безопасностью и долгим сроком службы, выдерживают большие скачки температур до 1000°C, выгорание сажи. Подходят для любого вида топлива. В тоже время они должны иметь высокую устойчивость к коррозии, к воздействию конденсатных кислот, которые образуются в процессе горения.

Из уровня техники известен патент РФ №2079472, 20.05.1997, в котором описана сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий сложной конфигурации, которая содержит в мас. %: шамот 40-60, глинозем 15-20, цемент 0,5-3, жидкое стекло 15-20, волокнистый огнеупорный материал 0,5-3, модификатор жидкого стекла 1-4 и воду 7-11. Сначала готовили указанную смесь до консистенции сметаны, затем заливали в форму, утрамбовали и сушили на воздухе 24 часа, потом сутки при 100°C и 20-24 часа при температуре 400-600°C.

Наиболее близкими техническими решениями к предлагаемому изобретению являются огнеупорный клей и способ соединения между собой огнеупорных материалов одного или различных составов, в том числе при создании монолитных изделий сложной конструкции, путем нанесения нескольких слоев с помощью огнеупорного клея, содержащего жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 2,0-3,5 в количестве 2-36% огнеупорную глину 11-18%, электрокорунд 30-50%, каолин 4-8% и воду 16-27%, (Патент РФ №2294350, 27.01.2006). Клей применялся при изготовлении теплоизоляционного покрытия для металлических труб, расположенных в нагревательных печах прокатного производства. На поверхность труб наклеивался керамоволокнистый материал в несколько слоев, и каждый слой соединялся с предыдущим с помощью клея. Последний слой изоляции также покрывался клеем толщиной 2-3 мм, который при затвердевании образовывал термостойкий слой с достаточной механической прочностью, как утверждается авторами.

Однако перечисленные огнеупорные материалы применимы в условиях высоких температур до 1600°С, а из-за различной структуры склеиваемых материалов и наличия пор может наблюдаться недостаточная прочность и монолитность соединения волокнистого материала с кирпичами или металлом.

Задачей изобретения является расширение ассортимента клеевых огнеупорных композиций, причем эта композиция может быть использована как для изготовления огнеупорных обожженных шамотных элементов сложной конфигурации, в частности ревизионных тройников и тройников для подключения потребителя, путем соединения (склеивания) из отдельных шамотных элементов с сохранением достаточной прочности шва соединения, так и для монтажа дымовых модульных систем из полученных элементов (ревизионных тройников, тройников для подключения потребителя, труб, оснований для отвода конденсата и т.д.) путем соединения (склеивания) элементов с сохранением достаточной прочности и кислотостойкости швов.

Предлагаемые способы соединения шамотных элементов с помощью универсальной клеевой композиции позволяют изготовить огнеупорные шамотные элементы сложной конфигурации и собрать модульную дымоходную систему с герметичным, прочным швом, где исключается возможность утечки дымовых газов и проникновения дополнительной влаги на внешнюю поверхность шамотных изделий.

Поставленная задача достигается тем, что клеевая композиция для соединения огнеупорных шамотных элементов сложной конфигурации, включает огнеупорный заполнитель, стекло, каолин и воду, дополнительно содержит ЛСТ, в качестве огнеупорного заполнителя - пылеунос каолинового шамота фр. менее 0,09 мм и шамотный заполнитель фр. 0-0,5 мм, а в качестве связующего - раствор жидкого силикатного стекла или стекло силикатное порошкообразное, при следующем соотношении компонентов мас. %: заполнитель шамотный фр. 0-0,5 мм 65-75; пылеунос каолинового шамота фр. менее 0,09 мм или вибромолотый шамотный заполнитель фр. менее 0,05 мм 15-25; глина или каолин 10-15; ЛСТ (сверх 100%) 0,05-0,18; раствор жидкого силикатного стекла (сверх 100%) 25-35 или стекло силикатное порошкообразное (сверх 100%) 10-15; вода (сверх 100%) 10-28. Клеевая композиция содержит в качестве пылеуноса каолинового шамота - пыль, образующуюся при помоле каолинового шамота или пыль, образующуюся при обжиге каолина на шамот.

Способ соединения шамотных деталей в сырце, включает приготовление заявляемой клеевой композиции, затем приготовленную композицию наносят на предварительно сформованные полусухим способом и высушенные до остаточной влажности не более 4% соединяемые поверхности шамотных элементов равномерным слоем толщиной до 1,5 мм на обе поверхности, затем элементы соединяют, производят оправку, формируя шов толщиной до 2 мм, фиксируют, сушат в течение 24 часов и затем обжигают.

Способ соединения обожженных шамотных элементов модульных дымовых систем, включает приготовление заявляемой клеевой композиции на основе огнеупорного заполнителя и нанесение приготовленной композиции на предварительно смоченные водой соединяемые поверхности обожженных шамотных элементов равномерным слоем толщиной до 1,5 мм на обе поверхности, затем элементы соединяют, производят оправку элементов, формируя шов толщиной до 2 мм, фиксируют, сушат в течение 3 суток.

В результате проведенных экспериментов заявителем создана универсальная клеевая композиция, позволяющая путем соединения (склеивания) отдельных спрессованных полусухим способом шамотных элементов получать изделия особо сложной конфигурации, в частности ревизионные тройники, тройники для подключения потребителя, а также соединять между собой обожженные шамотные элементы (трубы, ревизионные тройники, тройники для подключения потребителя, основание с отводом конденсата и т.д.), которые могут быть использованы для сборки дымовых модульных систем.

Для приготовления клеевой композиции использовались следующие сырьевые материалы. Огнеупорная глина или каолин пластичный с содержанием Al₂O₃ не менее 32%, фр. 0-2 мм; заполнитель шамотный марки ЗШ фр. 0-0,5 мм, полученный обжигом во вращающийся печи, например, каолинов Боровичско-Любытинской группы месторождений и дальнейшим их помолом. Пылеунос каолинового шамота фр. менее 0,09 мм, образующийся при помоле каолинового шамота в мельницах или при обжиге каолина во вращающихся печах, либо вибромолотый шамотный заполнитель марки В-ЗШ с остатком на сетке 005 не более 2% с содержанием Al₂O₃ не менее 35%. Раствор жидкого стекла, приготовленный плотностью 1,46 г/см³, или стекло силикатное порошкообразное. Лигносульфонат технический порошкообразный или раствор ЛСТ, например, плотностью 1,30 г/см³.

В отличие от существующих огнеупорных клеевых композиций предлагаемая композиция характеризуется высоким содержанием тощих компонентов: огнеупорного шамотного заполнителя ЗШ фр. 0-0,5 мм 65-75 мас. % и пылеуноса каолинового шамота фр. менее 0,09 мм 15-25 мас. % или В-ЗШ 15-25 мас. % фр. менее 0,05 мм, что обеспечивает низкую усадку композиции при сушке и обжиге, чем повышает прочность соединения элементов. Выбор такого количественного диапазона огнеупорного заполнителя позволил создать композицию двойного назначения.

Применение пылеуноса (пыли, образующейся при помоле шамота, пыли электрофильтров вращающихся печей) позволяет вовлечь для использования техногенные отходы шамотного производства и снизить себестоимость заявляемой композиции и изделий.

Пыль имеет приблизительный гранулометрический состав, мас. %: фракция >200 мкм - незначительное количество, 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. Химический состав пыли, мас. %: Al₂O₃ не менее 32,0; Fe₂O₃ не более 4,0; SiO₂ 52,0-60,2; СаО 0,3-0,5; MgO 0,2-0,5; Na₂O+K₂O 0,1-0,5; потери массы при прокаливании 2-8.

Используемый в композиции лигносульфонат технический является анионным поверхностно-активным веществом и применяется в качестве пластификатора с предпочтительной для данного состава композиции плотностью 1,30 г/см³. Применение порошкообразного ЛСТ в составе композиции позволяет упростить процесс ее подготовки, повысить гомогенность клеевого раствора без снижения его физико-химических свойств, т.к. необходимо просто тщательно перемешать сухие компоненты смеси и затем затворить водой. Экспериментально подобранный диапазон количественного содержания ЛСТ способствует уменьшению расслоения смеси. Огнеупорная глина или каолин также выступают в роли пластификатора. Количество добавляемого ЛСТ 0,05-0,18 мас. % и каолина 10-15 мас % обеспечивает получение подвижного раствора при максимальном содержании отощителя. Это позволяет повысить плотность шва и получить качественные клееные готовые изделия или шов при монтаже модульных дымоходных систем.

Силикатное стекло, входящее в состав композиции, обладает связующими свойствами, что дополнительно повышает прочность соединения элементов в процессе твердения жидкого стекла на воздухе в результате потери влаги.

Указанный заявителем состав и диапазон содержания компонентов в разработанной клеевой композиции определен экспериментально и является оптимальным.

Приготовление клеевой композиции производят в смесителе. Сначала готовят раствор для затворения (жидкое стекло и вода, или порошкообразное стекло и вода) необходимой консистенции в отдельной емкости. В чашу смесителя добавляют сухие компоненты смеси, например: заполнитель шамотный фр. 0-0,5 мм; пылеунос каолинового шамота фр. менее 0,09 мм; полученный при помоле в шаровой мельнице каолин марки БЛКП 1 и порошкообразный ЛСТ, далее осуществляют перемешивание в течение 2 минут, затем добавляют водный раствор стекла плотностью 1,46 г/см³ при перемешивании и воду. Перемешивание проводят в течение 3 минут. Консистенция готового раствора для склеивания элементов должна быть подобна густой сметане. В таблице приведены составы огнеупорной клеевой композиции.

Способ соединения шамотных составных элементов изделий заключается в следующем. Для соединения используют элементы шамотных изделий, предварительно сформованные полусухим способом формования, затем производят сушку указанных элементов до остаточной влажности не более 4%. После выполнения сушки производят склеивание этих изделий из отдельных элементов (составных частей) с помощью предлагаемой клеевой композицией. Склеивание осуществляют с использованием специальных приспособлений (деревянных ложементов, опор и т.п.). Клеевой раствор наносят равномерным слоем толщиной до 1,5 мм на обе склеиваемые поверхности изделий. Излишки клеевой композиции удаляются с поверхности изделий, формируя шов толщиной до 2 мм. Сушку склеенных изделий производят в естественных условиях (температура воздуха от 20°С до 25°С и относительная влажность от 60% до 70%) не менее чем 24 часа. Операции нанесения клея повторяют в зависимости от количества элементов. К примеру, при изготовлении тройников сначала склеивают два элемента трубы, а после высушивания и затвердевания клеевой композиции, производят вклеивание патрубка. Затем производят обжиг сырца изделий при температуре 1300°С.

При изготовлении модульных дымовых систем используют эту же клеевую композицию для соединения обожженных шамотных элементов сложной конфигурации (ревизионных тройников, тройников для подключения потребителя), шамотных труб, оснований для отвода конденсата и других элементов. Клеевую композицию наносят на предварительно смоченные водой соединяемые поверхности обожженных шамотных элементов равномерным слоем толщиной до 1,5 мм на обе поверхности, затем элементы соединяют, производят оправку элементов, формируя шов толщиной до 2 мм, фиксируют, сушат в течение 3 суток при положительной температуре.

В таблице приведены составы клеевой композиции и результаты испытаний.

Определение предела прочности при изгибе шва осуществлялось на склеенных клеевой композицией опытных образцах размером 80×40×25 мм. Клеевая композиция с помощью шпателя тонким слоем наносилась на торцы образцов, после чего они склеивались попарно и устанавливались на ровную поверхность в вертикальном положении. Излишки клеевого раствора удалялись с поверхности образцов. Толщина клеевого шва составляла 1-1,5 мм. Образцы выдерживались в естественных условиях в течение 3 суток, а затем часть из них подвергалась обжигу в лабораторной печи «Сигма-Т» при 1300°С.

Для изготовления шамотных элементов сложной конфигурации не надо дополнительных материальных затрат на покупку оборудования, т.к. задействовано имеющееся технологическое оборудования. Прессование этих изделий осуществляется на имеющихся четырехколонных фрикционных прессах, а заявляемая клеевая композиция и способы соединения шамотных элементов сложной конфигурации с последующим обжигом или готовых шамотных изделий позволяют обеспечить качественное и надежное создание модульных дымовых систем с прочным и герметичным швом. Специально разработанная кислотостойкая композиция герметизирует швы и исключает возможность проникновения влаги на внешнюю поверхность труб.

Использование модульных дымовых систем из указанных огнеупорных шамотных элементов имеет следующие преимущества: устойчивость к влиянию высоких температур и температурным скачкам; устойчивость к коррозии; универсальность, т.е. подходят для любых котлов, каминов и печей. Такие системы не подвержены деформации; устойчивы к возгоранию сажи и влиянию продуктов горения топлива; медленно охлаждаются и хорошо сохраняют тепло; имеют длительный срок службы.