УСТРОЙСТВО ДЛЯ УКРЫТИЯ ОБОРУДОВАНИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ЩЕЛОЧНОЙ МЕТАЛЛ, МАТЕРИАЛ ДЛЯ УКРЫТИЯ ОБОРУДОВАНИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ЩЕЛОЧНОЙ МЕТАЛЛ, ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G21C9/04 F16L59/14 C04B38/10 

Изобретение относится к технологии обращения со щелочными металлами и может быть использовано в традиционной и атомной энергетике, химической промышленности, электротехнике, металлургии и других отраслях техники.

В последнее время щелочные металлы находят все более широкое применение, например в качестве тепло- и электропередающих сред. Это связано с их уникальными физическими свойствами. Однако высокая химическая активность щелочных металлов, особенно при повышенных температурах, вынуждает уделять особое внимание безопасности обращения с ними.

Известно устройство для изоляции оборудования, содержащего щелочной металл, включающее ленточный, карандашный или индукционный нагреватель, изолятор и покрытие /1/.

Недостатком известного устройства является то, что оно выполняет только функцию поддержания щелочного металла в расплавленном состоянии и не способно предотвратить выход щелочного металла в окружающую среду в случае его протечки из оборудования и предотвратить его дальнейшее вытекание.

Известно применение диатомида, волокнистых шлаков свинцового и сталеплавильного заводов, а также асбеста в качестве материала для укрытия оборудования, содержащего щелочной металл /1/. Эти материалы также выполняют роль только теплоизоляции и не позволяют нейтрализовать щелочной металл в случае его протечки из оборудования и предотвратить его дальнейшее вытекание.

Наиболее близким к заявляемому материалу является оксид магния /1/, которому также присущ вышеуказанный недостаток.

Известен теплоизоляционный материал на основе минеральной ваты или базальтового волокна и щелочного алюмосиликатного связующего, в котором в качестве модификатора использованы небольшие добавки (0,5 - 2,5%) бутадиенстирольного латекса, ацетоформальдегидной или полиэфирной смолы или кремнеорганической жидкости /2/.

Недостатком известного теплоизоляционного материала является то, что он выделяет нежелательные газообразные продукты при температурах 200 - 500^oC.

Наиболее близким к заявляемому является теплоизоляционный материал на основе волокон (из силиката кальция, стекла или базальта) и матрицы с ячеистой структурой из минерального связующего (силиката натрия и производных оксифосфата) /3/.

Недостатком данного теплоизоляционного материала является то, что он не способен эффективно взаимодействовать со щелочным металлом и переводить его в твердое состояние.

Известен способ получения теплоизолирующего материала для плит утеплителя, включающий приготовление гидромассы из минерального волокна, связующего, состоящего из 25-35%-ного водного раствора сульфата алюминия и аммиака, причем волокно- и водосодержащее связующее взяты в соотношении 1:(20-80), формование плит в фильтрующих пресс-формах с перфорированным днищем, сушку их и охлаждение /4/. Формование осуществляется под вакуумным разрежением 0,03-0,07 МПа и подпрессовкой не более 0,3 МПа, а сушка при температуре 80-120^oC и десятиминутной выдержкой на каждый миллиметр толщины плиты.

Недостатком известного способа, является его низкая производительность, а также избыточное содержание влаги в конечном продукте, что недопустимо при контакте со щелочным металлом. Кроме того, материал, полученный данным способом, выделяет газообразные продукты термодеструкции сульфата алюминия и водного аммиака уже при умеренно высоких температурах.

Задачей изобретения является создание устройства и материалов, которые бы не только поддерживали щелочной металл в расплавленном состоянии и обладали бы теплоизолирующими свойствами, но также позволяли бы химически нейтрализовать вытекающий из оборудования щелочной металл, а также позволяли бы устранять аварийные ситуации в случае незначительных повреждений трубопроводов, арматуры и т.п.

Задачей изобретения является также создание способа получения материала с указанными свойствами.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для изоляции оборудования, содержащем натрий и включающем нагреватель, изолятор и покрытие, изолятор выполнен, как минимум, двухслойным. Причем внутренний слой изолятора выполнен из материала, химически взаимодействующего со щелочным металлом с образованием твердых инертных продуктов реакции, а наружный слой - из теплоизолирующего материала, причем теплоизолирующий материал предлагается выполнить также с возможностью химического взаимодействия со щелочным металлом с образованием твердых инертных продуктов реакции.

Поставленная задача решается тем, что материал для укрытия оборудования, содержащего щелочной металл, включающий оксид металла, содержит смесь оксида кремния (3-5 вес. ч.), оксида алюминия (0,5-2 вес. ч.) и оксида железа (3-6 вес. ч.). Материал может дополнительно содержать оксид кальция в количестве от 3 до 10 мас.%, а также связующее на основе силикатов натрия. Предлагается материал выполнить пористым с объемом пор в пределах от 15 до 25% и с размерами частиц оксидов от 0,1 до 0,35 мм.

Для решения поставленной задачи предлагается теплоизолирующий материал, содержащий волокнистую компоненту из базальта, наполнитель и связующее, отличительной особенностью которого является то, что в качестве наполнителя он содержит смесь оксидов металлов и металлоидов, составленную из оксида кремния, оксида алюминия, оксида натрия и оксидов железа, а в качестве связующих он содержит силикат натрия, кремнеорганический лак и триэтаноламин. Предлагается, чтобы составляющие теплоизоляционного материала находились в следующих пределах, мас.%: оксид алюминия 6-8, оксид натрия 4-6, оксиды железа 27-30, базальтовое волокно 25-35, силикат натрия 5-8, кремнеорганический лак 5-8, триэтаноламин 3-8, оксид кремния остальное.

Для решения поставленной задачи предлагается способ получения теплоизолирующего материала, включающий приготовление гидромассы из минерального волокна и связующего, формование, сушку и охлаждение, отличительной особенностью которого является то, что навеску базальтового волокна распушивают, диспергируют в водной эмульсии кремнеорганического лака и триэтаноламина, частично удаляют воду вакуумированием, формуют полученную массу и пропитывают ее смесью порошков оксидов и силиката натрия, вукуумируют, сушат при температуре 80-100^oC в течение 20-40 мин.

Выполнение изолятора двухслойным из материалов указанного состава позволяет при аварийной ситуации создать барьер для вытекающего из оборудования щелочного металла, предотвратить выход опасного химического вещества в окружающую среду и уберечь обслуживающий персонал от контакта с ним. Технология получения теплоизолирующего материала позволяет получить пластичный материал, легко наносимый на поверхность оборудования сложной формы.

На чертеже представлен поперечный разрез заявляемого устройства, где 1 - оборудование, содержащее щелочной металл, 2 - изолятор, 3 - внутренний слой изолятора, 4 - наружный слой изолятора, 5 - нагреватель, 6 - покрытие.

Устройство работает следующим образом. При нарушении герметичности оборудования 1 из него начинает протекать щелочной металл, который начинает химически взаимодействовать с внутренним слоем 3 изолятора 2. Значительное количество оксида трехвалентного железа, присутствующего в материале внутреннего слоя изолятора, позволяет, при появлении щелочного металла реализоваться следующей химической реакции:
Fe₂O₃+6Me → 3Me₂O+2Fe+ΔQ₁ (1)
где Me - щелочной металл, который в результате реакции переходит в оксид.

Реакция (1) идет со значительным выделением тепловой энергии, при этом выделяется элементарное железо 30-35 мас.%, находящееся в состоянии "белого каления".

Благодаря наличию во внутреннем слое оксидов кремния (SiO₂), и алюминия (Al₂O₃) при высокой температуре, обеспечиваемой реакцией (1), образуется спек алюмосиликатов щелочных металлов, что также сопровождается выделением дополнительного тепла
2Me₂O+SiO₂= 2Me₂O•SiO₂+ΔQ₂ (2)
Me₂O+SiO₂= Me₂O•SiO₂+ΔQ₃ (3)
Me₂O+2SiO₂= Me₂O•2SiO₂+ΔQ₄ (4)
Al₂O₃+SiO₂= Al₂O₃•SiO₂+ΔQ₅ (5)
Продукты всех пяти реакций являются твердыми веществами. Образующиеся спеки в условиях стесненного пространства прочно закрывают место разгерметизации оборудования и предотвращают дальнейшее вытекание щелочного металла, наружный слой изолятора 4 предохраняет покрытие 6 от воздействия тепла экзотермической реакции. Спек плотно приваривается к корпусу оборудования и позволяет в некоторых условиях эксплуатировать оборудование без ремонта. При значительных протечках щелочного металла, когда реакционная способность внутреннего слоя исчерпывает себя, во взаимодействие со щелочным металлом вступает наружный (теплоизоляционный) слой изолятора. При этом реализуются вышеперечисленные химические реакции, но уже с меньшей интенсивностью. При этом прореагировавший наружный слой теряет свои теплоизоляционные свойства и после ликвидации аварии необходим обязательный ремонт устройства. Вышеуказанное позволяет достигнуть технического результата.

Пример реализации. Навеску длинномерного базальтового волокна массой 200 г распушивали, диспергировали в водной эмульсии кремнеорганического лака и триэтаноламина и размещали на перфорированном днище вакуумирующего устройства для удаления воды. На сырую поверхность отформованной длинноволокнистой массы (со средней длиной волокон около 700 мкм) с помощью валкового пропитывающего устройства наносили оксидную массу, представляющую собой смесь порошков (SiO₂ - 46%, Al₂O₃ - 15%, Na₂O% - 10%, Fe₂O₃ - 35%) фракции 0,1-0,35 мм, пропитанную раствором силиката натрия. Полученную структуру дополнительно вакуумировали, подвергали сушке при температуре 100^oC в течение 30 мин. Как показывает опыт, от времени сушки зависит пористость материала. В данном случае была получена 20%-ная пористость материала. Полученный полуфабрикат извлекали из сушильной камеры и охлаждали на воздухе. Материал после охлаждения способен длительно (несколько месяцев) сохранять пластичность и гидрофобность. Из полученного материала вырезали заготовки требуемой геометрии На поверхность заготовок наносили порошковую массу фракции от 0,1 до 0,3 мм следующего состава: Fe₂O₃ - 35%, SiO₂ - 46%, CaO - 5%, Al₂O₃ - 15%, толщиной 1 мм, смешанную с силикатом натрия. Заготовку разогревали с помощью лампы инфракрасного излучения в течение 10 минут и при достижении пластичности материала его наносили на поверхность трубопровода той стороной, на которой находилась порошковая оксидная масса. Трубопровод был предварительно оснащен кабельным электронагревателем. Заготовку прикатывали эластичным валиком с целью уплотнения порошковой массы и создания сплошности изолятора на укрываемой поверхности трубопровода. Швы на стыках промазывали порошковой массой указанного состава, смешанной с жидким стеклом. Включали электронагреватель для окончательной просушки изолятора, по прошествии 2 часов оба слоя изолятора приняли твердую форму, причем внутренний слой стал пористым (около 20%). Затем устанавливали покрытие и приступали к заполнению трубопровода натрием.

Заявленное устройство подвергали экспериментальной проверке. Через специально созданное отверстие в стальном нержавеющем трубопроводе диаметром 5 мм продавливали избыточным давлением аргона 0,6 ати порцию натрия массой 60 г в течение 1 мин при температуре 500^oC, тем самым имитировали течь натрия в окружающую среду с расходом 1 г/сек. На выходе из отверстия располагалась приемная полость образуемая стенкой трубопровода и слоем испытуемого материала массой 200 г. Объем полости был равен объему 60 г натрия (65-70 мл). Зазор между стенкой трубопровода и слоем испытуемого материала составил 5 мм. Испытательное устройство предусматривало возможность анализа газовой фазы, могущей выделяться при взаимодействии натрия с испытуемым материалом. Испытуемый материал включал 50% (мас.) оксида железа, 35% оксида кремния, 5% оксида алюминия, 5% оксид кальция и 5% связующего.

После истечения натрия наблюдался скачок температуры до 1000^oC, что свидетельствовало о экзотермическом взаимодействии натрия с испытуемым материалом. После охлаждения трубопровода и снятия испытуемого материала наблюдали: натрий металлический не обнаружен, отверстие забито твердым, монолитным, камнеобразным продуктом реакции. Продукты реакции полностью заполнили реакционный объем и прочно спеклись с материалом трубопровода, тем самым предотвратив дальнейшее продавливание натрия. В составе газов не были обнаружены опасные компоненты, такие как монооксид углерода, и водород. Обнаружено повышенное содержание углекислого газа.

Источники информации
1. М. Ситтиг, Натрий, его производство, свойства и применение, Госатомиздат, М., 1961, с. 96.

2. Кривенко П.В. Теплоизоляционные материалы на основе минеральных волокон и щелочного алюмосиликатного связующего. Будiвництво Украiни, 1996, N 2, с. 28-32
3. Патент Франции N 2631024, МПК C 04 B 38/10.

4. Патент РФ N 2035407, МПК C 03 B 37/00, БИ 14/95, с. 142.

Использование: изобретение относится к технологии обращения со щелочными металлами и может быть использовано в традиционной и атомной энергетике, химической промышленности, электротехнике, металлургии и других отраслях техники. Сущность изобретения: устройство состоит из изолятора, нагревателя и покрытия. Отличительной особенностью устройства является то, что изолятор выполнен, как минимум, двухслойным, причем внутренний слой изолятора выполнен из материала, химически взаимодействующего со щелочным металлом с образованием твердых инертных продуктов реакции, что позволяет устранить аварийную ситуацию. Наружный слой изолятора выполнен из теплоизолирующего материала. Материал для укрытия оборудования, содержащего щелочной металл, включает оксид кремния, оксид алюминия и оксид железа в массовом соотношении частей 3-5:0,5-2:3-6 соответственно. Теплоизолирующий материал содержит волокнистую компоненту из базальта и связующее, в качестве которого он содержит кремний органический лак и триэтаноламин. Способ получения теплоизолирующего материала включает приготовление гидромассы из минерального волокна и связующего, сушку, формование и охлаждение. При этом навеску базальтового волокна распушивают, диспергируют в водной эмульсии связующего, удаляют воду и сушат при 80-100^oС в течение 20-40 мин. 4 с. и 9 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для укрытия оборудования, содержащего щелочной металл, состоящее из изолятора, нагревателя и покрытия, отличающееся тем, что изолятор выполнен, как минимум, двухслойным, причем внутренний слой изолятора выполнен из материала, химически взаимодействующего со щелочным металлом с образованием твердых инертных продуктов реакции, а наружный слой изолятора выполнен из теплоизоляционного материала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружный слой изолятора выполнен из материла, химически взаимодействующего со щелочным металлом с образованием твердых инертных продуктов реакции. 3. Материал для укрытия оборудования, содержащего щелочной металл, включающий оксид металла, отличающийся тем, что он содержит оксид кремния, оксид алюминия и оксид железа в массовом соотношении частей 3-5 : 0,5 -2: 3-6 соответственно. 4. Материал по п.3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид кальция в количестве от 3 до 10 мас.%. 5. Материал по п. 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит связующее на основе силиката натрия. 6. Материал по п.3, отличающийся тем, что он содержит частицы оксидов с размерами в интервале 0,1-0,35 мм. 7. Материал по п.3, отличающийся тем, что он выполнен пористым с объемом пор в пределах 15-25 об.%. 8. Теплоизолирующий материал, содержащий волокнистую компоненту из базальта и связующее, отличающийся тем, что в качестве связующего он содержит кремнеорганический лак и триэтаноламин. 9. Материал по п. 8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит смесь оксидов металлов и металлоидов, составленную из оксида кремния, оксида алюминия, оксида натрия и оксидов железа связанную силикатом натрия. 10. Материал по п.8, отличающийся тем, что его составляющие находятся в следующих пределах %:
Оксид алюминия - 6-8
Оксид натрия - 4-6
Оксид железа - 27-30
Базальтовое волокно - 25-35
Силикат натрия - 5-8
Кремнеорганический лак - 5-8
Триэтаноламин - 3-8
Оксид кремния - Остальное
11. Материал по п.8, отличающийся тем, что он содержит оксиды металлов и металлоидов в порошковой фазе, а длина базальтовых волокон находится в пределах 100-1300 мкм. 12. Материал по п.8, отличающийся тем, что он выполнен пористым с объемом пор в пределах 15-25 об.%. 13. Способ получения теплоизолирующего материала, включающий приготовление гидромассы из минерального волокна и связующего, сушку, формование и охлаждение, отличающийся тем, что навеску базальтового волокна распушивают, диспергируют в водной эмульсии кремнеорганического лака и триэтаноламина, частично удаляют воду вакуумированием, формуют полученную массу и пропитывают ее смесью порошков оксидов и силиката натрия, вакуумируют, сушат при 80-100^oC в течение 20-40 мин.