шихта для получения безусадочного, пористого, огнеупорного теплоизоляционного материала

Формула изобретения

1. Шихта для получения пористого, безусадочного, огнеупорного теплоизоляционного материала, включающая алюминий в качестве вспучивателя, периклаз и электрокорунд в качестве минеральных наполнителей, высокоглиноземистый цемент, модификатор и фосфатное связующее, отличающаяся тем, что в качестве электрокорунда она содержит смесь порошков различных марок при фракционном содержании порошков, мас.%: марка F280 со средним размером частиц d _cp=30-40 мкм -18-25; марка F150 d_cp=80-100 мкм - 13-15, марка F80 d_cp=160-200 мкм - 22-25, марка F54 d_cp=300-400 мкм - 7-10, периклаз в виде порошка марки ППТИ-92 непрерывного зернового состава с остатком на сите 05 не более 15%, в качестве модификатора - мертель плавленого периклазо-хромита МПХВ, при следующем содержании компонентов, мас.%:

Алюминий	5,0-5,5
Периклаз	15,0-28,0
Высокоглиноземистый цемент	не более 6,5
Мертель плавленого периклазо-хромита	1,0-2,0
Указанный электрокорунд	до 100

и фосфатное связующее в количестве 47-82% сверх 100 от указанной смеси порошкообразных компонентов, при этом в качестве связующего используют алюмоборофосфат или алюмофосфат.

2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве алюминия используют высокодисперсный порошок со сферической формой частиц при максимальном размере частиц не превышающем 50 мкм в диаметре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, теплоэнергетики и производства огнеупорных и теплоизоляционных, в частности к составам шихты для получения безусадочного пористого, огнеупорного теплоизоляционного материала, который может быть использован в производстве легкого жаростойкого ячеистого, пористого бетона, для футеровки высокотемпературных тепловых агрегатов различного назначения.

Известна сырьевая смесь для изготовления неавтоклавного ячеистого бетона естественного твердения, которая содержит, мас.ч.: цемент 1, хлористый натрий или кальций 0,005-0,01, микрокремнезем 0,04-0,1, суперпластификатор С-3 0,002-0,01, газообразователь 0,0016-0,002, вода 0,3-0,4 (RU 2120926 С1, С04В 38/02, 27.10.1998). Смесь может дополнительно содержать известь негашеную и/или гипс 0,05-0,1 ч. от веса цемента. Известное изобретение позволяет повысить прочность при сжатии до 3,01-4,1 МПа и ускорение твердения ячеистого бетона при одновременном снижении плотности до 440-512 кг/м³, усадки до 0-0,59%.

Известна сырьевая формовочная смесь для производства пенобетонов, которая содержит, мас.%: портландцемент 30,0-35,4; микронаполнитель - химически чистый мел 8,4-11,0; заполнитель - кварцевый песок карьерный 14,0-29,3; пенообразователь "Унипор" 0,5-0,7; вода - остальное (RU 2199507 С2, С04В 38/10, 27.02.2003). Известное изобретение позволяет свести усадку к минимуму и получать неавтоклавные безусадочные пенобетоны с прочностью при сжатии до 5 МПа, со средней плотностью 400-800 кг/м³.

Указанные изобретения при минимальной усадке полученных пенобетонов, но низкой прочности на сжатие не позволяют их использовать для футеровки высокотемпературных тепловых агрегатов.

Известен состав для получения зольных ячеистых бетонов, который включает цемент, отвальную золу ТЭЦ, щелочную добавку - сульфат натрия, добавку газообразователя - алюминиевую пудру, ускоритель твердения и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 25,6-32,8; отвальная зола ТЭЦ 32,7-41,0; алюминиевая пудра 0,10-0,26; сульфат натрия 0,51-0,66; вода остальное (RU 2168485 C1, C04B 38/02, 10.06.2001). Недостатком известного изобретения является низкая прочность на сжатие (не более 4,5 МПа), высокая плотностью 400-905 кг/м³, что не позволяет применять полученный бетон при высоких температурах использования.

Известна шихта для изготовления огнеупорных изделий преимущественно для футеровки муфельных печей, включающая электрокорунд, каолин или огнеупорную глину, глинозем, оксид редкоземельного металла из группы La₂O₃, Nd₂O₃ и Gd₂O₃ и алюмосодержащее соединение, муллит плавленый и диоксид циркония, частично стабилизированный оксидом иттрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: электрокорунд 20,0-48,9, муллит плавленый 10-25, глинозем 20-30, глина или каолин 15-25, диоксид циркония, частично стабилизированный оксидом иттрия, 3-10, оксид редкоземельного металла из группы La₂O₃, Nd₂O₃ и Gd ₂O₃ 3-7, алюмосодержащее соединение: алюминий хлористый, углекислый алюминий или оксихлорид алюминия, 0,1-5,0 (RU 2132312 C1, C04B 35/101, C04B 35/66, 27.06.1999). Изобретение позволяет повысить срок эксплуатации огнеупорных изделий путем повышения их стойкости в условиях воздействия химически агрессивных и окислительно-восстановительных сред при резком подъеме и снижении температуры. Недостатком известного изобретения является использование дорогих оксидов редкоземельных металлов, достаточно высокий коэффициент теплопроводности 5,3-5,6 Вт/(м·К) и недостаточно высокая температура использования (не выше 1705°С).

Известен способ приготовления огнеупорного кладочного раствора, который содержит, мас.%: мертель шамотный МШ-31 - 64-68, алюмоборофосфатный концентрат - 29-33, отвердитель MgO x SiO₂ - 3, при этом алюмоборофосфатный концентрат разбавляют водой до плотности 1,35-1,38 г/см³ (RU 2231503 С2, С04В 28/34, F27D 1/00, 27.06.2004). При использовании изобретения обеспечивается увеличение срока службы футеровки. Недостатком является достаточно высокая степень усадки, более 1,5% при прочности на сжатие не более 7,5 МПа, и недостаточно высокая температура использования (не выше 1705°С).

Наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемой шихте является шихта для получения пористого, огнеупорного теплоизоляционного материала, включающая минеральный наполнитель, алюминий в качестве вспучивателя, фосфатное связующее, в качестве которого содержит по крайней мере один полиметаллофосфат из группы, включающей: алюмоборфосфат, магнийборфосфат, алюмомагнийфосфат, алюмохромфосфат в жидком агрегатном состоянии с содержанием P ₂O₅ не менее 36%, наномодификатор из ряда тугоплавких оксидов кремния, алюминия, частично стабилизированного диоксида циркония или бинарные или тройные оксидные системы из ряда СаО, Al₂O₃, SiO₂, MgO, при массовом отношении минерального наполнителя к связующему 1,25-1,54 и содержании компонентов при следующем соотношении, мас.%: алюминий 0,6-5,0; наномодификатор 0,01-0,1; минеральный наполнитель остальное (RU 2387623, 27.04.2010). В качестве минерального наполнителя смесь содержит по крайней мере два вещества из ряда, включающего кварцевый песок, глинозем, электрокорунд белый 25А марок F-1200 (со средним размером частиц 3 5 мкм) и F-20 (со средним размером частиц 1000 1250 мкм); высокоглиноземистый цемент ВГКЦ-60-1, шамотный порошок, золу уноса, шлак, бой огнеупорных материалов. Из боя огнеупорных материалов (периклазовых, муллитовых, шпинельных, динасовых, шпинелидных и др.) используют преимущественно периклазовые и муллитовые материалы с размерами частиц 0 <1200 мкм.

Полученный материал по известному изобретению имеет коэффициент теплопроводности при комнатной температуре 0,10-0,25 Вт/(м·К), открытую пористость 50-70%, максимальный предел прочности на сжатие до 10,5 МПа, плотность 500-1100 кг/м³, температуру применения до 1750°С. Однако усадка получаемого из известной шихты материала при нагреве до рабочих температур может составлять до 2-3%, что в ряде случаев делает его непригодным для практического применения в футеровках высокотемпературных тепловых агрегатов.

Задачей изобретения является создание нового состава шихты (сырьевой смеси) для получения пористого, безусадочного (менее 0,1%), высокоогнеупорного теплоизоляционного материала многоцелевого назначения (бетоны и изделия на их основе: панели, кирпичи, плиты и блоки; литьевые составы для ремонтно-восстановительных работ, обмазки и т.п.).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение до минимума усадки материалов, изготовленных из заявляемой шихты, повышение предела прочности на сжатие при высокой температуре применения.

Указанный технический результат достигается тем, что шихта для получения пористого, безусадочного, огнеупорного теплоизоляционного материала, включающая алюминий в качестве вспучивателя, периклаз и электрокорунд в качестве минеральных наполнителей, высокоглиноземистый цемент, модификатор и фосфатное связующее, согласно изобретению в качестве электрокорунда содержит смесь порошков различных марок при фракционном содержании порошков, мас.%: марка F280 со средним размером частиц d_cp=30 40 мкм - 18 25; марки F150 (d_cp=80 100 мкм) - 13 15, марки F80 (d_cp=160 200 мкм) - 22 25, марки F54 (d_cp=300 400 мкм) - 7 10, периклаз в виде порошка марки ППТИ-92 непрерывного зернового состава с остатком на сите 05 не более 15%, в качестве модификатора - мертель плавленого периклазо-хромита МПХВ, при следующем содержании компонентов, мас.%:

Алюминий	5,0-5,5
Периклаз	15,0-28,0
Высокоглиноземистый цемент	не более 6,5
Мертель плавленого периклазо-хромита	1,0-2,0
Указанный электрокорунд	до 100

и фосфатное связующее в количестве 47-82% сверх 100 от указанной смеси порошкообразных компонентов, при этом в качестве связующего используют алюмоборофосфат или алюмофосфат. В качестве алюминия используют высокодисперсный порошок со сферической формой частиц при максимальном размере частиц, не превышающем 50 мкм в диаметре.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Тщательно перемешивают в лопастном или в любом другом типе смесителей шихту из порошков следующих компонентов в соотношениях, указанных в формуле: электрокорунд марок F280 со средним размером частиц (d_cp=30 40 мкм); F150 (d_cp=80 100 мкм), F80 (d_cp=160 200 мкм), F54 (d_cp=300 400 мкм), периклаз в виде порошка марки ППТИ-92 (92% MgO) непрерывного зернового состава с остатком на сите 05 не более 15, высокоглиноземистый цемент марки ВГКЦ-80-0,5 (содержание Al₂O₃=80%); модификатор - мертель плавленого периклазо-хромита МПХВ, алюминий в виде высокодисперсного порошка со сферической формой частиц, не превышающих 50 мкм в диаметре.

Далее в приготовленную шихту добавляют связующее алюмоборофосфат АБФК (ТУ 113-08-606-87) или алюмофосфат АФС, с содержанием P₂O₅ не менее 36%, выпускаемые отечественной промышленностью, в количестве 47-82% сверх 100% от указанной смеси порошкообразных компонентов. Тщательно перемешивают жидкий и порошкообразные компоненты шихты до получения однородной жидко-вязкой массы шликерного состава, затем заливают смесь в заданную форму и оставляют в неподвижности до ее полного вспучивания. Процесс холодного вспучивания неорганических композиций осуществляют при комнатной температуре (15-25°С) без какого-либо подогрева и создания специальных условий. Эффект вспучивания основан на экзотермической реакции взаимодействия порошков алюминия с любым из указанных растворов фосфатного связующего и периклазсодержащих компонентов.

После завершения процесса вспучивания и частичного испарения воды форму разбирают и получают готовый безусадочный, пористый, высокоогнеупорный теплоизоляционный материал.

Материал также может формоваться непосредственно на месте проведения футеровочных работ путем заливки шликера в заранее отведенные полости в конструкции футеровки теплового агрегата.

Периклаз в виде порошка марки ППТИ-92 непрерывного зернового состава с остатком на сите 05 не более 15% в количестве 15,0-28,0 мас.% в составе шихты обеспечивает уменьшение размера поровой структуры и снижение усадки при нагреве за счет максимально плотной упаковки частиц компонентов наполнителя, модификатор в виде мертеля на основе плавленого периклазо-хромита марки МПХВ (MgO - 84%, Cr₂O₃ - 8%) с размерами частиц 0 63 мкм в количестве 1,0-2,0 мас.% регулирует необходимое время отверждения материала и способствует увеличению прочности поровой структуры материала.

Дополнительно можно отметить, что термин зерновой состав называют «непрерывным», если в нем встречаются частицы всех размеров - от наименьшего до максимального, и прерывистым, если в смеси отсутствуют зерна какого-либо промежуточного размера.

В таблице представлены конкретные составы шихты и свойства материала, полученные при использовании совокупности признаков формулы, со следующими свойствами: линейная усадка <0,1%; коэффициент теплопроводности при комнатной температуре 0,14-0,24 Вт/(м·К); открытая пористость 58-72%; предел прочности при сжатии до 14,2 МПа; плотность от 630 до 850±50 кг/м³. Максимальная температура длительного применения (классификационная температура) материала до 1800°С.

Таким образом, конкретные марки компонентов, экспериментально подобранный их фракционный состав и массовое соотношение компонентов шихты позволяют получать безусадочный, пористый, легкий, высокоогнеупорный теплоизоляционный конструкционный и жесткоформовочный материал.

Получаемый на базе заявленной шихты материал может использоваться для получения как теплоизоляционного, так и рабочего слоев футеровки высокотепловых агрегатов различного назначения, доменных печей, в производстве легкого, жаростойкого, ячеистого, пористого бетона, а также для замены волокнистых корундовых плиточных материалов, при этом он значительно более дешевый и прочный.

Компоненты шихты	Состав компонентов шихты, мас.%, по примерам
Прототип	2	3	4
Алюминиевый порошок	5,0	5,3	5,0	5,5
Периклаз ППТИ-92	-	21,0	28,0	15,0
Периклаз в виде боя периклазовых материалов	44,6	-	-	-
Муллит	0,4	-	-	-
Электрокорунд 25А:
F-1200 (3 5 мкм);	22,0	-	-	-
F-20 (1000 1250 мкм)	22,6
Электрокорунд F280	-	22,0	18,0	25,0
Электрокорунд F150	-	15,0	13,0	15,0
Электрокорунд F80	-	22,0	24,0	25,0
Электрокорунд F54	-	10,0	10,0	7,0
Высокоглиноземистый цемент ВГКЦ-70-1	5,4*	3,0	-	6,5
Мертель плавленого периклазо-хромита МПХВ	-	1,7	2,0	1,0
Связующее в жидком агрегатном состоянии (ЖАС), сверх 100%
Алюмоборофосфат (АБФК) (ТУ 113-08-606-87)	80,0	47	-	82,0
Алюмофосфат АФС	-	-	66,7	-
Свойства получаемого материала
Плотность, кг/м3	800±50	850±50	710±50	630±50
Линейная усадка, %	1,0 2:5	<0,1	<0,1	<0,1
Открытая пористость, %	58 65	58 63	65 68	70 72
Предел прочности при сжатии, МПа	8,1 10,5	9,8 14,2	9,5 13,1	8,0 11,7
Теплопроводность при 20°С, Вт/(м·К)	0,20 0,24	0,22 0,25	0,17 0,20	0,14 0,1 7
Максимальная температура применения, °С	1750	1780	1800	1750
* Для прототипа используется высокоглиноземистый цемент ВГКЦ-60-1