Способ изготовления жаростойкой бетонной смеси и способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси

Изобретение относится к способам производства бетонной смеси и жаростойких бетонных изделий, пригодных для изготовления футеровки промышленных тепловых и огнеупорных агрегатов, работающих при температуре до 1300°, в частности для футеровки вагонеток обжига кирпича и других теплоизоляционных агрегатов.

Известен способ изготовления жаростойкой бетонной смеси, включающий перемешивание шамотного заполнителя, тонкомолотой добавки (шамот и обожженный гидратированный глиноземистый цемент), феррохромового шлака и жидкого стекла, и способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси, включающий ее твердение (SU 590291, 1976).

Этот способ имеет недостаток - не экономично использовать для изготовления жаростойкой бетонной смеси с использованием дефицитного глиноземистого цемента.

Известен также способ изготовления огнеупорных материалов по бетонной технологии для футеровки вагонеток обжига кирпича и других тепловых агрегатов, включающий смешение шамотного заполнителя двух фракций (менее 8 мм и менее 3 мм), самораспадающегося феррохромового шлака, жидкого стекла (плотностью 1,39-1,41 г/см³) и пены на основе синтетического пенообразователя или гидролизаторов в протеине (RU 2145311, С 04 В, 1998).

Недостатками этого способа являются невысокая механическая прочность элементов футеровки тепловых агрегатов в интервале температур 20-1300°С (до 20 МПа), повышенная пористость и невысокая термостойкость бетона (30-40 водных теплосмен).

Известен способ изготовления жаростойкой бетонной смеси и способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси (RU 2284305), который является наиболее близким изобретению по технической сущности.

Данный способ изготовления жаростойкой бетонной смеси, включает смешение шамотного заполнителя и самораспадающегося феррохромового шлака, причем в качестве шамотного заполнителя используют шамот фракции 5-10 мм и менее 5 мм, а после указанного смешения в полученную сухую смесь вводят едкий натр в виде водного раствора при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Затем из полученной смеси, изготавливают изделия, смесь уплотняют вибрацией, а твердение осуществляют при тепловой обработке по следующему режиму:

Подъем температуры до 60-70°С в течение 2,0-2,5 ч

Выдержка при 60-70°С в течение 14 ч

Подъем температуры до 90-95°С в течение 1,5-2,0 ч

Подъем температуры до 110-120°С в течение 2,0-2,5 ч

Выдержка при 110-120°С в течение 10 ч

Снижение температуры до 50-70°С в течение 3-4 ч (пат. РФ №2284305, С04В 28/08, 2006).

Недостатками таких способов является высокий расход измельченного шамота и повышенные энергозатраты на тепловую обработку бетонной смеси.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение экологии окружающей среды за счет применения для изготовления бетонной смеси отходов производства, перерабатываемых с невысокими энергозатратами и получение жаростойких бетонных изделий на ее основе с высокой прочностью (не менее 85…90 МПа).

Технический результат предлагаемого способа достигается тем, что способ изготовления жаростойкой бетонной смеси, включающий смешение шамотного заполнителя и самораспадающегося феррохромового шлака, согласно изобретению, в качестве шамотного заполнителя применяют шамотную пыль-уноса в количестве - 11,1…12,2%, самораспадающегося феррохромового шлака в количестве - 13,8…15,4%, кроме того, добавляют: отработанный раствор травления сплавов алюминия (силумин) - 40,0…42,0% и отвальный никелевый шлак в количестве 30,4…35,1%, смешивание осуществляют в реакторе при рН=7,7…8,5 и Т=150…155°С, затем смесь измельчают до размера частиц 4…7 мм в дезинтеграторе.

Кроме того, технический результат достигают за счет того, что, способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси, содержащей самораспадающийся феррохромовый шлак и шамотный заполнитель, включающий ее твердение, согласно изобретению, изготовление указанной бетонной смеси осуществляют по указанному выше составу, уплотняют ее, а твердение осуществляют при тепловой обработке в камере горячим воздухом при температуре 150…155°С в течение 6 часов, и получают изделие с прочностью равной и более 85…90 МПа.

Самораспадающийся шлак низкоуглеродистого феррохрома, содержащий, мacc. %: SiО₂-26…29; А1₂О₃-5…8; СаО-48…51; MgO-12…16; Сr₂ О₃-3,5…5,5 и FeO-1,0…1,5 выпускается Челябинским заводом ферросплавов в огромных объемах, не находит широкого промышленного применения, частично используется для изготовления силикатного кирпича и около 50% хранится в отвалах.

Отвальный никелевый шлак, содержащий, масс. %: SiО₂-41,8; Аl₂О₂-7.3; СаО-12,5; MgO-10,8; FeO-24,5, выпускается Челябинским никелевым заводом, обладает повышенной активностью и после введения в него специальных присадок может быть применен для замены части цемента при изготовлении строительных материалов и жаростойких шлакоситаллов, но все эти предложения имеют высокие затраты и пока не внедряются.

Шамотная пыль-уноса, содержащая, масс. %: SiО₂-59,1; А1₂О₃-29,7; MgO-2,7 и Fе₂О₃-3,4, образуется в значительных объемах на Челябинском металлургическом заводе при получении шамота и используется частично в обороте, избыток вывозится в отвал (Рациональное использование природных ресурсов Челябинской области. Бархатов В. И., Добровольский И.П., Капкаев Ю.Ш. - Челябинск: Изд-во Челяб.гос.ун-та, 2015).

Отработанный раствор травления сплавов алюминия (силумин), содержащий, масс. %: NaOH-2,9…3,4; Na₂SiO₃-9,6…101; NaAlO₂-46…49; Н₂O-39…42, который получается в значительных объемах при обработке щелочами изделий из сплавов алюминия перед сборкой агрегатов (например, моторов на Челябинском автомеханическом заводе) и пока не находит широкого промышленного применения.

Способ получения из указанного состава отходов бетонной смеси для изготовления на ее основе жаростойких бетонных изделий заключается во взаимодействии оксида кремния из шамотной пыли-уноса с раствором щелочи и с алюминатом натрия из отработанного раствора травления сплавов алюминия (силумина) и одновременно оксида кальция шлака низкоуглеродистого феррохрома с активным выделяющимся при указанном взаимодействии гидроксидом алюминия с получением при этом алюмосиликатной связки и глиноземистого цемента.

Известен способ получения в промышленных условиях алюмосиликатной связки на основе жидкого натриевого стекла и оксида алюминия путем их термообработки при температуре 150°С в течение 6 час. Алюмосиликатные связки смешиваются с жидким стеклом в зависимости от их химического состава и условий обработки. Так, например, связка состава Na₂ О / А1₂ О₃=5,95 смешивается с 3-модульным жидким стеклом во всех объемных соотношениях. При отношении Na₂ О / А1₂ О₃=2,90 смешивание связки происходит до отношения 50/50. В составе при отношении Na₂ О / А1₂ О₃ 10/90 максимальная доля Аl₂О₃ может быть не более 1,5%, в составе 20/80-4,5%, а в составе 50/50-6,5%.

При такой обработке протекает приведенная ниже реакция (1):

Такая связка обладает высокой прочностью и жаростойкостью и применяется для изготовления огнеупорных материалов (клея, замазок, плит и т.д.). Установлено также, что при превышении указанных пределов содержания оксида алюминия снижается текучесть связки и она загустевает, а при снижении содержания в ней оксида алюминия ниже указанных пределов значительно снижается прочность бетона, получаемого на ее основе, что подтверждается приведенными в табл.1 данными [Сычев М. Неорганические клеи. -Л., Химия, 1984, С.93.].

Учитывая вышесказанное и в связи с тем, что применять жидкое стекло и оксид алюминия для изготовления указанной алюмосиликатной связки экономически не выгодно было предложено для ее получения применять отходы производств в указанном выше соотношении при обработке их в реакторе, оборудованном быстроходной мешалкой, при следующих условиях: рН, равное 7,5…8,5, температура процесса 150…155°С, при этом протекают приведенные ниже реакции (2-5):

После окончания реакций (прекращение выделения пара) в реактор подают заданное количество отвального никелевого шлака, смесь хорошо перемешивают и далее ее передают в дезинтегратор. В дезинтеграторе смесь измельчается до размера частиц 4…7 мм, при этом повышается ее активность в связи с физико-механической ее обработкой, при этом протекают приведенная ниже реакция с образованием глиноземистого цемента (6)

Повышение измельчения частиц ниже 4 мм приводит к снижению производительности процесса и повышению расхода энергии, а измельчение смеси более 7 мм снижает прочность жаростойкого бетона.

Для изготовления изделий далее смесь помещают в формы, в которых смесь уплотняют на вибрационном стенде, после чего формы со смесью подвергают сушке в камере горячим воздухом при температуре 150…155°С в течение 6 ч, при этом получают изделие из жаростойкого бетона с прочностью более 85…90 МПа:

Примеры. Опытные образцы бетонных изделий получены на стендовой установке (технологическая схема приведена на чертеже)

Технологическая схема изготовления жаростойкой бетонной смеси и изделий из жаростойкой бетонной смеси включает: 1 - емкость отработанного раствора травления сплавов алюминия (силумина); 2 - бункер шамотной пыли-уноса; 3 - бункер самораспадающегося шлака низкоуглеродистого феррохрома, 4 - бункер отвального никелевого шлака; 5 - реактор с быстроходной мешалкой; 6 - промежуточная емкость; 7 - шламовый насос для перекачки смеси; 8 - дезинтегратор; 9 - бункер готовой смеси; 10 - вибростенд; 11 - сушилка с образцами; 12 - вентилятор горячего воздуха; 13 - стеллаж.

1. В реактор 5, оборудованный быстроходной мешалкой, загружают из емкости 1 в заданном объеме отработанный раствор травления сплавов алюминия (силумина) и туда же при работающей мешалке подают их бункера 2 - шамотную пыль-уноса, при этом протекает приведенные выше реакции (1 и 2), повышается температура до 100…120°С и образуется жидкое стекло.

2. Для недопущения превышения в смеси содержания выше указанных пределов оксида алюминия в реактор одновременно с указанными реагентами загружают расчетное количество самораспадающего шлака низкоуглеродистого феррохрома, оксид кальция которого связывает избыточный гидроксид алюминия в алюминат кальция, при этом в реакторе поднимается температура до 150…155°С и протекают приведенные выше реакции (3 и 4) с образованием алюмината кальция и алюмосиликатной связки (при снижении в смеси оксида алюминия ниже 4,0 масс. % понижается прочность бетона, а при повышения его более 6,0 масс. % суспензия загустевает).

3. После окончания реакций (прекращения выделения пара) в реактор 5 подают из бункера 4 расчетное количество отвального никелевого шлака, смесь хорошо перемешивают и далее шламовым насосом 7 передают в дезинтегратор 8, в котором она измельчается до размера частиц 4…7 мм и при этом образуется по реакции (5) глиноземистый цемент и затвердевшая алюмосиликатная связка указанного выше состава. Кроме этого, в смеси повышаются вяжущие свойства в связи физико-механическим воздействием на нее измельчителей дезинтегратора.

4. Измельченной до заданных размеров смесью заполняют металлические формы и производят уплотнение смеси вибрацией форм на вибростенде 10, после чего их подают в сушильную камеру 11, в которой при сушке горячим воздухом, подаваемым вентилятором бетонная смесь набирает прочность до указанных пределов.

Были проведены четыре опыта по получению бетонной смеси и изделий из нее при различном соотношении компонентов путем перемешивания отработанного раствора травления сплавов алюминия, шамотной пыли-уноса и самораспадающего шлака низкоуглеродистого феррохрома в лабораторном реакторе при работающей мешалке (до прекращения выделения пара). Затем в реактор 5 подавали расчетное количество отвального никелевого шлака и смесь измельчали в лабораторном дезинтеграторе до 5 мм, после чего сушили при температуре 150°С в муфельной печи в течение 6 часов.

После охлаждения смеси из нее формовали образцы - балочки размером 40×40×160 мм и образцы - кубы 50×50×50 мм, и смесь уплотняли. После твердения в течение суток в естественных условиях образцы были подвергнуты испытаниям на прочность при сжатии. Результаты испытаний приведены в табл.2.

Приведенные данные показывают, что заявляемый состав и способ изготовления бетонной смеси и изделий из нее отличается повышением термостойкости (с 57-112 до 102-116 циклов) и прочности изделий за счет интенсификации процесса образования алюмосиликатной связки и глиноземистого цемента, а также за счет их физико- механической обработки бетонной смеси в дезинтеграторе (с 40,4-82,4 до 85,1-91,2 МПа).

Кроме того, предлагаемый состав позволяет эффективно использовать отходы производства, которые не находят широкого промышленного применения, улучшать экологию окружающей среды, получать более прочные жаростойкие бетонные изделия. Способ не требует высоких энергозатрат на помол компонентов за счет отвальных распадающихся шлаков и применения для процесса более эффективного оборудования - реактора с быстроходной мешалкой и дезинтегратора.