ОГНЕУПОРНАЯ БЕТОННАЯ СМЕСЬ Российский патент 2011 года по МПК C04B35/66 C04B14/04 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для производства огнеупорного бетона, предназначенного для футеровки различных тепловых агрегатов, например укрытий главных и транспортных желобов доменного производства, арматурного слоя промежуточных ковшей, ремонта подвесных сводов методических печей.

Известны огнеупорные бетонные смеси, содержащие андалузит (основа), реактивный глинозем, цемент на основе алюминатов кальция и микропорошок SiO₂, например, из патента CN 1450020, C04B 35/66, 2003 [1], патента RU №2331617, C04B 35/66, 2008 [2].

По совокупности общих существенных признаков наиболее близкой к патентуемой является огнеупорная бетонная смесь [2], содержащая, мас.%: 77-82 андалузит; 10-12 реактивный глинозем; 4,5-5,0 тонкодисперсный кремнезем; 4-6 высокоглиноземистый цемент; 0,12-0,15 триполифосфат натрия (сверх 100%); 0,012-0,015 лимонную кислоту (сверх 100%). При этом андалузит имеет следующий зерновой состав, мас.%: 72-77 фр. 0-5 мм; 23-28 фр. менее 55 мкм, а бетон из данной огнеупорной смеси после обжига при 1000°C содержит муллит в пределах 73,1-78,5%.

Положительными качествами бетона из известной огнеупорной бетонной смеси, вследствие муллитизированной микроструктуры, являются высокие температура начала деформации под нагрузкой и механическая прочность, малые линейные высокотемпературные изменения. Недостатки - повышенные теплопроводность и плотность, что требует дополнительной теплоизоляции бетона и увеличивает нагрузку на грузоподъемные механизмы при монтаже конструкций.

Задачей настоящего изобретения является снижение кажущейся плотности и улучшение теплоизоляционных свойств бетона с сохранением положительных огневых характеристик прототипа.

Решение задачи достигается в результате использования огнеупорной бетонной смеси, содержащей андалузит фракционного состава, мас.%: 12-17 фр. 0-1 мм, 19-22 фр. 160 мкм, реактивный глинозем, тонкодисперсный кремнезем, высокоглиноземистый цемент, триполифосфат натрия, лимонную кислоту и дополнительно обожженную огнеупорную глину фр.1-7 мм с содержанием Al₂O₃ не менее 45 мас.% и органическое волокно при следующем соотношении компонентов, мас.%: 31-39 андалузит указанного фракционного состава; 45-53 указанная обожженная огнеупорная глина; 9-12 реактивный глинозем; 2,0-3,5 тонкодисперсный кремнезем; 2,0-3,5 высокоглиноземистый цемент; 0,12-0,15 триполифосфат натрия (сверх 100%); 0,012-0,015 лимонная кислота (сверх 100%) и 0,06-0,15 органическое волокно (сверх 100%).

Сущность изобретения состоит в том, что введение обожженной огнеупорной глины позволяет получить в микроструктуре огнеупорного бетона третью разновидность муллита в результате муллитизации глины по реакции 3[Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O]→3Al₂O₃*2SiO₂+4SiO₂+6H₂O, вдобавок к продукту муллитизации андалузита (3[Al₂O₃*SiO₂]→3 Al₂O₃*2SiO₂+SiO₂) и вторичному муллиту - продукту реакции реактивного глинозема и SiO₂ (3Al₂O₃+2SiO₂→3Al₂O₃*2SiO₂) и, таким образом, достичь содержания муллита в пределах 85,0-89,0%. За счет формирования жидкой фазы анортитового состава (CaO-Al₂O₃-2SiO₂) при взаимодействии высокоглиноземистого цемента и микрокремнезема, а также наличия минерализатора - диоксида титана (TiO₂) в обожженной огнеупорной глине, при обжиге происходит интенсивное спекание огнеупорной смеси с образованием в микроструктуре бетона объемного, плотноспеченного сростка микрокристаллов муллита, обеспечивающего бетону хорошие огневые свойства. Кроме этого, использование обожженной огнеупорной глины фракции 1-7 мм (взамен крупнозернистой части андалузита) позволяет понизить кажущуюся плотность бетона и улучшить его теплоизоляционные свойства вследствие ее большей пористости и меньшего объемного веса. Введение обожженной огнеупорной глины менее заявленного предела не оказывает заметного влияния на снижение теплопроводности бетона, а введение более заявленного предела ухудшает огневые свойства бетона. Использование обожженной огнеупорной глины с содержанием Al₂O₃ менее 45% снижает температуру начала деформации бетона под нагрузкой.

Органическое волокно (полиамидное, полиэтиленовое, полипропиленовое и др.) ускоряет и облегчает процесс удаления влаги во время сушки и обжига бетона, предохраняя его от растрескивания, а также создает микропористость при выгорании волокна, улучшая теплоизоляционные свойства. Предпочтительно использование органического волокна длиной не более 6 мм и диаметром не более 20 мкм для обеспечения хороших кладочных свойств и микропористости бетона. Содержание органического волокна в количестве 0,06-0,15%) (сверх 100) в предлагаемой огнеупорной смеси является оптимальным для решения поставленной задачи. Тонкодисперсный кремнезем (менее 5 мкм), взаимодействуя в обжиге с высокоглиноземистым цементом, образует жидкую стеклофазу анортитового состава при температуре ниже 1300°C, то есть до начала процесса муллитизации андалузита, что способствует более мягкому протеканию процесса муллитизации матрицы бетона без появления дефектов в виде сетки трещин. Введение тонкодисперсного кремнезема менее заявленного предела не обеспечивает образования достаточного количества жидкой стеклофазы, а введение его более заявленного предела ведет к образованию избытка жидкой стеклофазы и снижению температуры деформации бетона под нагрузкой.

Утоненный зерновой состав андалузитового заполнителя в комплексе с тонкодисперсным кремнеземом и реактивным глиноземом в заявляемой бетонной смеси усиливает образование вторичного муллита. Триполифосфат натрия и лимонная кислота улучшают реологические свойства бетонной смеси. Триполифосфат натрия образует тончайшую пленку с отрицательным зарядом на поверхности зерен цемента при введении воды, которая вызывает взаимное отталкивание частиц, обеспечивая текучесть смеси при малом водопотреблении. Одновременно снижается адсорбция ультрадисперсных частиц кремнезема, также обладающих отрицательным зарядом. Введение триполифосфата натрия менее 0,12 мас.% недостаточно для обеспечения хорошей текучести и удобоукладываемости бетона, а введение его более 0,15 мас.% отрицательно влияет на его схватываемость и огневые свойства. Лимонная кислота снижает щелочность раствора триполифосфата натрия, усиливая его диспергирующие свойства. Введение ее менее 0,012 мас.% не оказывает положительного влияния на реологические свойства, а избыток (более 0,015 мас.%) ухудшает процесс твердения бетона.

Примеры составов огнеупорной бетонной смеси для изготовления образцов огнеупорного бетона и их свойства указаны в таблице.

Для получения огнеупорного бетона из заявляемого состава смеси использовали следующие материалы: андалузит марок Marlusite 57 фр. 0-1 мм (мас.%: не менее 57,0 Al₂O₃, не более 41,6 SiO₂) и Kerphalite KF фр. 160 мкм (мас.%: не менее 59,5 Al₂O₃, не более 38,1 SiO₂), реактивный глинозем марки СТС 20 (Al₂O₃ не менее 99,7 мас.%), тонкодисперсный кремнезем - микросилика марки 971U (SiO₂ не менее 97,5 мас.%), кальцийалюминатный цемент марки СА-14М (Al₂O₃ в пределах 71-73 мас.%), триполифосфат натрия (ТУ 2148-037-0019441-02), кислота лимонная (ГОСТ 908-79), полипропиленовое волокно марки Polysteen Gut F-0782 (длина волокна не более 6 мм, диаметр не более 20 мкм) и обожженная огнеупорная глина - продукт помола обожженной кусковой аркалыкской глины марки ШКАР-45 (мас.%: 52,7-52,9 Al₂O₃, 41,0-41,6 SiO₂, 1,9-2,0 Fe₂O₃, 2,7-3,1 TiO₂). Для получения огнеупорного бетона указанные компоненты дозировали в количествах, приведенных в формуле изобретения, смешивали всухую 2-3 мин, затем добавляли воду для обеспечения влажности массы 5,0% и снова смешивали.

Из полученной массы виброформованием готовили образцы, которые выстаивали в форме 24 часа, затем форму разбирали и образцы выстаивали еще 24 часа, после чего сушили при температуре 120°C и обжигали при 1000°C с выдержкой 5 часов.

Из таблицы видно, что матрица огнеупорного бетона из патентуемой смеси после обжига при 1000°C содержит муллит в пределах 85,0-89,0%, в то время как образец по прототипу содержит его 77,7%, бетон имеет более низкие показатели кажущейся плотности и теплопроводности при сохранении огневых характеристик прототипа.

Совокупность положительных свойств данного бетона позволила успешно использовать его в укрытии желобов доменного производства чугуна без дополнительной теплоизоляции, что подтвердили результаты промышленных испытаний.

Кажущуюся плотность образцов определяли по ГОСТ 2409-95, теплопроводность по ГОСТ 12170-85, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) определяли по МВИ на корундовом дилатометре, температуру начала деформации под нагрузкой - по ГОСТ 4070-00.

Источники информации

1. Патент CN 1450020, C04B 35/66, 2003.

2. Патент RU №2331617, C04B 35/66, 2008.

Огнеупорная бетонная смесь (ОБС) предназначена для футеровки различных тепловых агрегатов, например укрытий главных и транспортных желобов доменного производства, арматурного слоя промежуточных ковшей, ремонтов подвесных сводов методических печей. ОБС содержит, мас.%: андалузит - 31-39, в том числе: фракции 0-1 мм - 12-17, фракции 160 мкм - 19-22, обожженная огнеупорная глина фракции 1-7 мм с содержанием Аl₂О₃ не менее 45 мас.% - 45-53, реактивный глинозем - 9-12, тонкодисперсный кремнезем - 2,0-3,5, высокоглиноземистый цемент - 2,0-3,5, триполифосфат натрия (сверх 100%) - 0,12-0,15, лимонная кислота (сверх 100%) - 0,012-0,015, органическое волокно (сверх 100%) - 0,06-0,15. Технический результат изобретения - снижение кажущейся плотности, улучшение теплоизоляционных свойств бетона из ОБС. 1 табл.

Огнеупорная бетонная смесь, содержащая андалузит, реактивный глинозем, тонкодисперсный кремнезем, высокоглиноземистый цемент, триполифосфат натрия и лимонную кислоту, отличающаяся тем, что дополнительно содержит обожженную огнеупорную глину фракции 1-7 мм с содержанием Аl₂О₃ не менее 45 мас.% и органическое волокно, а андалузит содержит фракций 0-1 мм и 160 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
андалузит 31-39 в том числе:   фракции 0-1 мм 12-17 фракции 160 мкм 19-22 указанная обожженная огнеупорная глина   фракции 1-7 мм 45-53 реактивный глинозем 9-12 тонкодисперсный кремнезем 2,0-3,5 высокоглиноземистый цемент 2,0-3,5 триполифосфат натрия (сверх 100%) 0,12-0,15 лимонная кислота (сверх 100%) 0,012-0,015 органическое волокно (сверх 100%) 0,06-0,15