Способ получения жаростойкой бетонной смеси и изделий на ее основе

Изобретение относится к технологии получения жаростойкой бетонной смеси и изделий на ее основе, применяемых в металлургической и химической промышленности, а также при эксплуатации теплоизоляционных агрегатов. Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение экологии окружающей среды, повышение жаропрочности изделий. Способ получения жаростойкой бетонной смеси характеризуется тем, что процесс ведут в три стадии: на первой стадии в мешалке осуществляют смешивание с водой пыли нефелинового концентрата и затем полученную суспензию нагревают до температуры 110°С, после чего в работающую мешалку подают пыль ферросиликохрома, перемешивают ее с суспензией и нагревают смесь до температуры 150°С в течение 4-5 часов, полученную алюмосиликатную клей-связку передают на вторую стадию в двухвалковый смеситель, в котором смешивают с измельченным в дезинтеграторе до крупности 2-3 мм мартеновским шлаком, где дополнительно происходит образование трехкальциевого алюмината С3А, затем смесь передают на третью стадию в комбинированную сушилку «кипящего слоя», где ее сушат при температуре 150°С в течение 4-5 часов и одновременно измельчают до величины частиц 1 мм с образованием трехкальциевого гидроалюмината, причем соотношение исходных компонентов отходов составляет, масс.%: пыль нефелинового концентрата 55-60, пыль микрокремнезема 10-11, мартеновский шлак 20-23, техническая вода - остальное. Также описан способ изготовления жаростойких бетонных изделий из бетонной смеси. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии получения жаростойкой бетонной смеси и изделий на ее основе, применяемых в металлургической и химической промышленности, а также при эксплуатации теплоизоляционных агрегатов.

Известен 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 протеина (пат. РФ №2145311, С04В 33/22)

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

Известно применение сырьевой смеси для изготовления огнеупорных изделий, включающей высокоглиноземистый шамот фракции менее 0,05 мм, отличающейся тем, что с целью повышения прочности при 1500°С, стабильности при воздействии термоциклических нагрузок, она содержит высокоглиноземистый шамот фракций менее 0,05 мм с содержанием Al₂O₃ 60%, а также указанный шамот фракции (0,4…1.0)мм или плавленый муллит тех же двух фракций и дополнительно этилсиликат при следующем соотношении компонентов, масс. %: электрокоруд - (15…20); высокоглиноземистый шамот фракции (0,4…1,0) или плавленый муллит-(35…50), этилсиликат-(0,7…1,0); высокоглиноземистый шамот фракции 0,05 мм - остальное (пат. РФ №1723070, 1992).

Однако для получения такой сырьевой смеси требуется высокий расход дефицитных видов сырья: электрокорунда, высокоглиноземистого шамота и муллита.

Известен способ изготовления жаропрочной смеси и способ изготовления изделий из жаростойкой бетонной смеси, включающий смешение шамотного заполнителя и самораспадающегося феррохромового шлака, 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. %: шамот фракции 5…10 мм - 30…32, шамот фракции менее 5 мм - 30…32, самораспадающийся феррохромовый шлак 22…26, едкий натр твердый - 2…4, вода - 10…13. (пат. РФ №2284305, С04В 28/09, опубл. 27.09.2006)

Из указанной жаростойкой бетонной смеси изготавливают бетонные изделия путем уплотнения ее, после чего проводят твердение изделий тепловой обработкой по следующему режиму: подъем температуры до 60…70°С в течение 2,0…2,5 часа; выдержка при 60…70°С в течение 14 часов; подъем температуры до 90…95°С в течение 1,5…2, часа; выдержка при 90…95°С в течение 5 часов; подъем температуры до 110…120°С в течение 2,0…2,5 часа; выдержка при 110…120°С в течение 10 часов; снижение температуры до 50…70°С в течение 3…4 часа. Однако и этот способ имеет следующие недостатки:

1. Длительность процесса и высокий расход тепла на сушку бетона.

2. Недостаточная прочность бетонных изделий (прочность МПа 40,4…69,6 МПа).

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления жаростойкой бетонной смеси, включающий смешение шамотного заполнителя и самораспадающегося феррохромового шлака, отличающийся тем, что в качестве шамотного заполнителя применяют шамотную пыль- уноса в количестве - 11,1…12,2%, самораспадающийся феррохромовый шлак в количестве - 13,8…15,4%, кроме того, добавляют: отработанный раствор травления сплавов алюминия (силумина) -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 (пат. РФ №2703036, опубл. 15.10.2019).

Изготовление изделий из указанной в пат. №2703036 жаростойкой бетонной смеси, содержащей самораспадающийся феррохромовый шлак и шамотный заполнитель, включающее ее твердение, согласно изобретения, осуществляют следующим образом: уплотняют на вибростенде, а твердение осуществляют при обработке горячим воздухом в камере при температуре 150…155°С в течение 6 часов.

Этот способ имеет следующие недостатки:

1.Высокий расход дефицитного отработанного раствора травления сплава алюминия и шамотной пыли уноса.

2. Недостаточная термостойкость изделий.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение экологии окружающей среды за счет эффективного использования отходов производства для получения термостойкой бетонной смеси и изделий из нее.

Технический результат достигается за счет того, что способ получения жаростойкой бетонной смеси, характеризующийся согласно изобретения, тем, что процесс ведут в три стадии: на первой стадии в мешалке осуществляют смешивание с водой пыли нефелинового концентрата и затем полученную суспензию нагревают до температуры 110°С, после чего в работающую мешалку подают пыль ферросиликохрома, перемешивают ее с суспензией и нагревают смесь до температуры 150°С в течение 4-5 часов, полученную алюмосиликатную клей-связку передают на вторую стадию в двухвалковый смеситель, где дополнительно происходит образование трехкальциевого алюмината С3А, затем смесь передают на третью стадию в комбинированную сушилку «кипящего слоя», где ее сушат при температуре 150°С в течение 4-5 часов и одновременно измельчают до величины частиц 1 мм с образованием трехкальциевого гидроалюмината, причем соотношение исходных компонентов отходов составляет, масс.%

Кроме того, способ изготовления жаростойких бетонных изделий из бетонной смеси, приготовленной по п. 1, включающий подачу ее на формовочный стенд, на котором смесь в горячем виде разливают по формам, уплотняют на вибрационном стенде при давлении 2 атм. после чего формы со смесью подвергают сушке в камере горячим воздухом при температуре 150°С в течение 4-5 часов.

Предлагаемые отходы характеризуются следующим химическим составом:

1. Пыль производства ферросиликохрома - пыль микрокремнезема, содержит, масс. %: SiO₂ - 83-93; Al₂O₃- 0,8-1,5; СаО - 1,0; MgO - 0,3; Cr₂O₃ - 0,2-0,5 и Fe₂O₃ - 0,5-4,9. Ее получают на ОАО "ЧЭМК", используют частично при изготовлении бетонных изделий.

2. Пыль нефелинового концентрата, содержит, масс. %: SiO₂ -42,3; А1₂О₃-29,0; FeO-5,9; СаО-1,3; MgO-2,1; K₂O-6,2; NaO-13,3. Данный отход получают Вишневогорским рудоуправлением, используется частично для получения коагулянта и специальных стекол,

3. Мартеновский шлак, содержит, масс. %: SiO₂ -(18…34); Al₂O₃ -(4…10); СаО -(36…38); MgO-(3…4); МпО-(6…10) FeO-(16…18); Fe₂O₃-(6…7). Шлак получают на Челябинском трубопрокатном заводе, частично используется при извлечении металла в плавках, остаток после извлечения металла не находит практического применения и рекомендуется к переработке.

4. Техническая вода.

Указанные отходы применяются в следующем соотношении, масс. %:

1. Пыль нефелинового концентрата - 55-60

2. Мартеновский шлак - 20-23

3. Пыль микрокремнезема - 10-11

4. Техническая вода - остальное

Сущность способа получения жаропрочной бетонной смеси из указанных отходов состоит в проведении следующих трех стадий процесса.

На первой стадии реактор заполняют расчетным обьемом технической водой и при работающей мешалке в него подают расчетное количество пыли нефелинового концентрата, подогревают суспензию до 110°С, после чего в реактор подают при работающей мешалке расчетное количество пыли микрокремнезема, при этом в смеси протекают реакции (1 и 2) с образованием жидкого стекла.

Затем в реакторе повышают температуру до 150°С, в суспензии начинается реакция с образованием алюмосиликата натрия.

Известно, что в промышленных условиях алюмосиликатную связку получают 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 Na₂O / Al₂O₃₌5,95 смешивается с 3-модульным жидким стеклом во всех объемных соотношениях. При отношении Na₂O / Al₂O₃=2,90 смешивание связки происходит до отношения 50/50. В составе связки Na₂ / Al₂O₃ 10/90 максимальная доля Al₂O₃ 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 (3):

Такая связка обладает высокой прочностью и жаростойкостью и применяется для изготовления огнеупорных материалов (клея, замазок, плит и т.д.). Но 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 [Сычев М.М. Неорганические клеи - Л.: Химия, 1986, 152 с].

Учитывая это и в связи с тем, что применять жидкое стекло и оксид алюминия для изготовления алюмосиликатного клея-связки экономически не выгодно, было предложено в изобретении для его получения применять образованное жидкое стекло путем повышения температуры в реакторе до 150°С в течение (4…5) часов и взаимодействия его с оксидом алюминия пыли нефелинового концентрата, при этом в смеси протекают приведенные ниже реакции (4 и 5) с образованием высокого качества алюмосиликатного клея-связки.

После окончания реакций полученный алюмосиликатный клей-связку направляют на вторую стадию в двух валковый смеситель.

На второй стадии в двух валковый смеситель подают также после измельчения дезинтегратором до размера частиц (2-3) мм мартеновский шлак. При измельчении частиц мартеновского шлака меньше 2 мм повышается время измельчения и энергозатраты, а при измельчении частиц больше 3 мм значительно снижается качество смеси и изделий на ее основе. В смесителе поддерживают температуру 150°С и интенсивно перемешивают смесь в течение (4…5) часов, что позволило завершить указанные выше реакции получения алюмосиликатного клея-связки высокого качества прочностью (80…90) МПа и одновременно образовать алюминат кальция, применяя оксид кальция мартеновского шлака и не использованный при получении клея-связки оксид алюминия пыли нефелинового концентрата по реакции (6) с получением алюмината кальция.

После окончания реакций смесь передают на третью стадию в комбинированную сушилку «кипящего слоя», в которой производится сушка смеси при температуре 150°С и одновременно измельчение частиц до размера 1 мм, а также образование трехкальциевого алюмината по реакции (7).

После окончания реакции готовая бетонная смесь, состоящая из клея-связки, мартеновского шлака и трехкальциевого алюмината - передается в формовочный стенд, в котором она в горячем виде разливается по специальным формам, в которых смесь уплотняют на вибрационном стенде давлением 2 атм, после чего формы со смесью подвергают сушке в камере горячим воздухом при температуре 150°С в течение (4-5) ч (при снижение времени сушки ниже 4 ч ухудшается качество изделий, появляются трещины, а при увеличение времени сушки более 5 ч значительно возрастают энергозатраты), при этом получают изделия из жаростойкой бетонной смеси с прочностью (80…90) МПа и термостойкостью (110-120) теплосмен.

На Фиг. показана технологическая схема получения жаростойкой бетонной смеси и изделий из нее.

Технологическая схема (фиг.) получения жаростойкой бетонной смеси и изделий на ее основе включает: 1 - емкость воды; 2 - бункеры сырья (2₁-пыли нефелинового концентрата, 2₂ - пыли микрокремнезема, 2₃ - мартеновского шлака), 3- реактор; 4₁ и 4₂ - промежуточные емкости; 5 - шламовый насос, 6 - дисмембратор; 7- двухвалковый смеситель; 8 - сушилка «кипящего слоя», 9 - емкость горячей бетонной смеси, 10 - конденсатор; 11 - стенд изготовления изделий, 12- готовые изделия, 13- хранилище.

На первой стадии из емкости 1 заполняют реактор 3 на 2/3 объема технической водой и при работающей мешалке в подают из бункера 2_{1 расчетное количество пыли нефелинового концентрата, затем подогревают суспензию до 110°С, после чего в реактор подают из бункера 22 при работающей мешалке расчетное количество пыли микрокремнезема, при этом в смеси протекают реакции (1 и 2) с образованием жидкого стекла.}

Затем в реакторе повышают температуру до 150°С, при этом в суспензии протекают реакции (4 и 5) с образованием алюмисиликатного клея-связки взаимодействием жидкого стекла с оксидом алюминия пыли нефелинового концентрата.

После окончания реакций полученный алюмосиликатный клей-связку насосом 5 подают на вторую стадию в двух валковый смеситель 7, в который подают также после измельчения дезинтегратором 6 до размера частиц 2-3 мм мартеновский шлак. В смесителе поддерживают температуру 150°С и интенсивно перемешивают смесь в течение (4-5) часов, что позволяет завершить указанные выше реакции получения алюмосиликатного клея-связки высокого качества и одновременно образовать трехкальциевый алюминат, применяя оксид кальция мартеновского шлака и не использованный при получении клея-связки оксида алюминия пыли нефелинового концентрата по реакции (6).

После окончания реакций смесь передают на третью стадию в комбинированную сушилку «кипящего слоя» 8. На третьей стадии в сушилке 8 производится сушка смеси при температуре 150°С и одновременно измельчение частиц до размера 1 мм, а также образование трехкальциевого алюмината (горячей бетонной смеси) по реакции (7).

После окончания реакции полученная горячая бетонная смесь передается в формовочный стенд 11, в котором из горячей бетонной смеси разливается по специальным формам 12 и подпрессовывается давлением 2 атм, после чего формы со смесью подвергают сушке в камере горячим воздухом при температуре 150°С в течение 4-5 часов, при этом получают изделия из жаростойкой бетонной смеси с прочностью 80…90 МПа, которые после сушки отправляют на склад 13.

Пример выполнения способа, подтверждающий высокое качество жаростойкой бетонной смеси и изделий на ее основе при помощи проведенных ниже результатов четырех лабораторных опытов по их получению. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Лабораторный реактор объемом 10 л был заполнен 1 л нагретой до 110°С воды и затем в него, медленно при работающей мешалке, подали 600 г пыли нефелина и 100 г микрокремнезема, при этом в смеси протекали реакции (1 и 2). После окончания реакций в реакторе повысили температуру до 150°С, при такой температуре смесь термообрабатывали в течение (4-5) часов, при этом протекали реакции (4 и 5) с образованием алюмосиликатного клея-связки. После окончания термообработки смесь передают в лабораторный двух валковый смеситель, в который медленно, не допуская сильного вспенивания смеси, подают 200 г измельченного до размера частиц (2…3)мм дезинтегатором мартеновского шлака, при этом в смеси протекала реакция (6) с образованием алюмината кальция. После окончания реакции смесь передают на третью стадию в комбинированную сушилку «кипящего слоя», в которой производят сушку смеси при температуре 150°С и одновременно измельчают смесь до размера частиц 1 мм, при этом протекала также реакции (7) с образованием глиноземистого цемента и получают готовую бетонную смесь.

После окончания реакции из готовой бетонной смеси формовали образцы - балочки размером 40×40×160 мм и образцы - кубы 50×50×50 мм, и смесь уплотняют прессом под давлением 2 атм и сушат в шкафу при температуре 150°С. После твердения в течение суток в естественных условиях образцы были подвергнуты испытаниям на прочность при сжатии и термостойкость. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

При проведении опытов выполнялись следующие условия: 1. В опытах №1 и №3 применяли пыль микрокремнезема 100 г а в опытах №2 и №4- 108 г.

2. В опытах №1 и №3 применяли мартеновский шлак с содержанием СаО 36%, а в опытах №2 и №4 - с содержанием СаО 38%.

3. Суспензию термообрабатывали при 150°С в опыте №1-4 часа, в опыте №2 - 5 часов, в опыте №3- 4 часа, в опыте №4 - 5 часов.

Таблица 1 Количество и состав полученных образцов, их прочность и термостойкость

Приведенные данные показывают, что заявляемый способ изготовления жаростойкой бетонной смеси и изделий из нее позволяет получить изделия повышенной термостойкости до 116-132 циклов.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет эффективно использовать отходы производства, которые не находят широкого промышленного применения, улучшать экологию окружающей среды, получать более термостойкие бетонные изделия.

1. Способ получения жаростойкой бетонной смеси, характеризующийся тем, что процесс ведут в три стадии: на первой стадии в мешалке осуществляют смешивание с водой пыли нефелинового концентрата и затем полученную суспензию нагревают до температуры 110°С, после чего в работающую мешалку подают пыль ферросиликохрома, перемешивают ее с суспензией и нагревают смесь до температуры 150°С в течение 4-5 часов, полученную алюмосиликатную клей-связку передают на вторую стадию в двухвалковый смеситель, в котором смешивают с измельченным в дезинтеграторе до крупности 2-3 мм мартеновским шлаком, где дополнительно происходит образование трехкальциевого алюмината С3А, затем смесь передают на третью стадию в комбинированную сушилку «кипящего слоя», где ее сушат при температуре 150°С в течение 4-5 часов и одновременно измельчают до величины частиц 1 мм с образованием трехкальциевого гидроалюмината, причем соотношение исходных компонентов отходов составляет, масс.%

Пыль нефелинового концентрата	55-60
Пыль микрокремнезема	10-11
Мартеновский шлак	20-23
Техническая вода	Остальное

2. Способ изготовления жаростойких бетонных изделий из бетонной смеси, приготовленной по п. 1, включающий подачу ее на формовочный стенд, на котором смесь в горячем виде разливают по формам, уплотняют на вибрационном стенде при давлении 2 атм, после чего формы со смесью подвергают сушке в камере горячим воздухом при температуре 150°С в течение 4-5 часов.