огнеупорная бетонная смесь

Формула изобретения

1. Огнеупорная бетонная смесь для изготовления низкоцементного огнеупорного бетона, включающая огнеупорный заполнитель на основе оксида алюминия, комплексное тонкодисперсное связующее и пластификатор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит диспергирующий глинозем, алюмомагнезиальную шпинель фр.0,5-0 мм, в качестве комплексного тонкодисперсного связующего используют тонкодисперсную матрицу фр. менее 0,063 мм и высокоглиноземистый цемент, меламиновый или поликарбоксилатный пластификатор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Огнеупорный заполнитель фр.6-3 мм	20-25
фр.3-1 мм	13-25
фр.1-0 мм	8-20
Алюмомагнезиальная шпинель фр.0,5-0 мм	10-20
Высокоглиноземистый цемент фр.<0,045 мм	2-8
Пластификатор	0,045-0,07 (сверх 100%)
Диспергирующий глинозем фр.<0,0075 мм	0,2-0,4 (сверх 100%)
Тонкодисперсная матрица фр.<0,063 мм	15-30

включает корунд фр.<0,063 мм 35-40 мас.%, реактивный глинозем фр.<0,005 мм 35-40 мас.% и алюмомагнезиальную шпинель фр.<0,063 мм 30-20 мас.%.

2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит органическое волокно 0,02-0,05 мас.% (сверх 100%).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к изготовлению огнеупорных изделий, выполнению монолитных футеровок различных высокотемпературных агрегатов в металлургии и других отраслях промышленности.

Известен огнеупор, включающий огнеупорный наполнитель, в качестве связующего используют глиноземистый цемент, тонкодисперсный Al ₂О₃, SiO₂, добавку MgO, дефлокулянт (Патент ГДР №267387, МКИ С04В 35/66, 1987). Недостатком этого бетона являются невысокие высокотемпературная прочность и температура применения (около 1450°С).

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является огнеупорная бетонная смесь, содержащая огнеупорный заполнитель на основе оксида алюминия, в качестве связующего - комплекс тонкодисперсных материалов, включающий Al₂O ₃ или смесь Al₂О₃ и SiO₂ фр.6-0,1 мкм, высокоглиноземистый кальцийалюминатный цемент, оксид магния или алюмомагнезиальную шпинель фр.<20 мкм, дефлокулянт при следующем соотношении компонентов, мас.%: огнеупорный заполнитель фр.7-3 мм 25-45, фр.3-1 мм 15-35, фр.1-0 мм 20-45, Al₂О ₃ или смесь Al₂О₃ и SiO₂ фр.6-0,1 мкм 2-25, высокоглиноземистый кальцийалюминатный цемент фр.<40 мкм 2-8, MgO или алюмомагнезиальная шпинель фр.<20 мкм 5-15, дефлокулянт 0,1-1,5 (Патент РФ №2140407, МКИ С04В 35/66, 1999).

Недостатком этой бетонной смеси является присутствие тонкодисперсного оксида магния, который склонен к гидратации, а это приводит к взрывному растрескиванию футеровки в процессе ее сушки и снижению термостойкости.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение термостойкости, снижение открытой пористости и расширение ассортимента используемых огнеупорных заполнителей без изменения тонкодисперсной матрицы.

Решение проблемы достигается в результате использования огнеупорной бетонной смеси, содержащей в качестве огнеупорного заполнителя - корунда, или муллитокорунда, или андалузита и алюмомагнезиальную шпинель, комплексное тонкодисперсное связующее, включающее матрицу и высокоглиноземистый цемент, а также пластификатор и дополнительно диспергирующий глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Огнеупорный заполнитель	фр.6-3 мм	20-25
	фр.3-1 мм	13-25
	фр.1-0 мм	8-20
Алюмомагнезиальная шпинель	фр.0,5-0 мм	10-20
Высокоглиноземистый цемент	фр.<0,045 мм	2-8
Меламиновый или поликаброксилатный пластификатор		0,045-0,07 (сверх 100%)
Диспергирующий глинозем	фр.<0,0075 мм	0,2-0,4 (сверх 100%)
а тонкодисперсная матрица	фр.<0,063 мм	15-30

включает корунд фр.<0,063 мм в количестве 35-40 мас.%, реактивный глинозем фр.<0,005 мм 35-40 мас.% и алюмомагнезиальную шпинель фр.<0,063 мм 30-20 мас.%.

Кроме того, в смесь дополнительно вводят органическое волокно в количестве 0,02-0,05 мас.% (сверх 100%).

Использование органического волокна в огнеупорной бетонной смеси ускоряет и облегчает процесс удаления влаги во время термообработки и обжига, таким образом, уменьшается напряжение и риск растрескивания и разрыва бетона. В качестве органических применяют полиакрилонитриловые, полиэтиленовые, полиамидные и полипропиленовые волокна, но при этом длина волокон должна быть не более 6 мм, а их диаметр не более 25 мкм. Более длинные волокна ухудшают кладочные свойства. Применение волокон диаметром свыше 25 мкм приводит к увеличению диаметра пор в бетоне при термообработке и, соответственно, снижению прочности. Использование в предлагаемой огнеупорной бетонной смеси, например, органического волокна в количестве 0,02-0,05% (сверх 100) является оптимальным и способствует повышению термостойкости, характеризуемой числом теплосмен до появления трещин.

В качестве пластификатора в предлагаемой шихте используют меламиновый или поликарбоксилатный пластификаторы.

Принцип действия пластификаторов - электростатическое диспергирование. Кроме того, поликарбоксилатные пластификаторы имеют стерическую структуру полимера, характеризующуюся длинными боковыми цепями. При стерической стуктуре вокруг цементных зерен образуется абсорбционный слой, который приводит к снижению внутреннего трения. За счет действия сил электростерического отталкивания разрушаются агломераты минеральных частиц, что способствует выходу воды, попавшей в агломераты.

В предлагаемой огнеупорной бетонной смеси вяжущая система является полидисперсной и наряду с высокоглиноземистым цементом содержит матрицу, представляющую собой тонкодисперсные компоненты: корунд фр.<0,063 мм в количестве 35-40 мас.%, реактивный глинозем фр.<0,005 мм в количестве 35-40 мас.% и алюмомагнезиальную шпинель фр.<0,063 мм 30-20 мас.%. Указанная вяжущая система включает тонкодисперсные материалы, характеризующиеся низкотемпературным (до 1000-1100°С) упрочнением. Применение высокоглиноземистого цемента, содержащего не менее 70% Al₂О ₃, не более 25% СаО, в количестве 2-8 мас.% в составе комплексного тонкодисперсного связующего для огнеупорной бетонной смеси является оптимальным. Такое количество высокоглиноземистого цемента обеспечивает при минимальном содержании СаО в бетонной смеси прочность, уменьшает влажность смеси.

Использование в комплексном тонкодисперсном связующем матрицы, содержащей Al₂O ₃ не менее 92%, MgO не менее 6,0%, Fe₂ О₃ 0,4%, способствует улучшению реологических свойств и получению формовочной системы с очень низкой (5%) влажностью. Применение тонкодисперсной матрицы в количестве 15-30 мас.% в составе огнеупорного бетона позволяет уменьшить содержание высокоглиноземистого цемента до 2-8 мас.% и в конечном итоге получить высокие значения термостойкости. Введение в матрицу реактивного глинозема, который представляет собой ультрадисперсный материал (размер частиц <5 микрон), в количестве не менее 35%, корунда фр.<0,063 мм 35-40 мас.% и алюмомагнезиальной шпинели фр.<0,063 мм 35-40 мас.% является оптимальным. Поскольку с одной стороны происходит уменьшение содержание высокоглиноземистого цемента в смеси за счет введения тонкодисперсной матрицы - материала с увеличенной удельной поверхностью и, следовательно, с реакционной способностью частиц, которые активнее вступают в гидратацию. С другой стороны, при росте продуктов гидратации наблюдается резкое падение пластифицирующего эффекта. Поэтому в смесь вводится добавка пластификатора 0,045-0,07 мас.% (сверх 100%).

Для регулирования процессов схватывания и укладки используется диспергирующий глинозем.

Применение меламинового или поликарбоксилатного пластификатора при оптимально подобранном зерновом составе дает эффект разжижения смеси и последующее тиксотропное структурообразование при условиях низкой объемной доли жидкости и достаточной гидратации высокоглиноземистого цемента, что в свою очередь позволяет получить монолитные футеровки за сравнительно короткое время.

Подобранный зерновой состав, а именно, использование крупнозернистой составляющей (огнеупорный заполнитель фр.6-3 мм 20-25 мас.%, фр.3-1 мм 13-25 мас.%, фр.1-0 мм 8-20 мас.%) и введение мелкозернистой составляющей (алюмомагнезиальной шпинели фр.0,5-0 мм в количестве 10-20 мас.%), его распределение в предлагаемой бетонной смеси снижает пористость при формовании.

Введение алюмомагнезиальной шпинели в смесь обусловлено еще и тем, что шпинель имеет повышенную устойчивость к воздействию металла, металлургических шлаков, устойчивость к воздействию переменной окислительно-восстановительной атмосферы в тепловых агрегатах. Высокая термостойкость шпинели характеризуется низким коэффициентом термического расширения и высокой теплопроводностью.

Примеры реализации изобретения

Приготовление массы для образца №1 осуществляют в смесителе периодического действия: электрокорунд фракции 6-3 мм в количестве 25 мас.%, фракции 3-1 в количестве 13 мас.% и фракции 1-0 в количестве 8 мас.%, алюмомагнезиальная шпинель фракции 0,5-0 мм в количестве 20 мас.%, тонкодисперсная матрица в количестве 30 мас.%, высокоглиноземистый цемент фракции менее 45 мкм в количестве 4 мас.%, суперпластификатор поликарбоксилатный 0,045 мас.% (сверх 100%) и диспергирующий глинозем ADS1 0,2 мас.% (сверх 100%) смешивают в сухом виде в течение 2-3 минут, добавляют воду в количестве 5-6 мас.% (сверх 100%) и перемешивают в течение 4-5 минут.

Приготовление массы для образцов №2 и №3 аналогично, а для образца №4 в смеситель дополнительно вводят полипропиленовое волокно марки "Polysteen cut F-0782" в количестве 0,035 мас.% (сверх 100%), затем все компоненты смешивают в сухом виде в течение 1-2 минут, добавляют воду в количестве 5 мас.% (сверх 100%) и перемешивают в течение 4-5 минут.

Полученной массой заполняют формы без применения вибрации, в которых она находится до полного затвердевания. После извлечения изделий из форм они выдерживаются в естественных условиях до 5 суток. Затем изделия подвергаются термообработке при 1300°С.

В остальных примерах приготовление смеси осуществляется аналогично, но формование образцов производится с применением минимальной вибрации.

На образцах определяли предел прочности при сжатии (ГОСТ 4070.1-00), открытую пористость (ГОСТ 2409-95), термостойкость (ГОСТ 7875.0-94).

Использование бетонной смеси на месте у потребителя производят следующим образом: готовая сухая смесь подается в смеситель периодического действия, перемешивается в течение 1-2 минут насухо, затем добавляется необходимое количество воды (˜6% сверх 100% массы). Полученной массой производится футеровка или ремонт металлургического агрегата.

В таблице 1 приведены составы смесей и физико-механические свойства образцов.

Таблица 1
Наименование компонента	Содержание компонентов в составах, %
	Состав №1	Состав №2	Состав №3	Состав №4	Прототип
1	2	3	4	5	6
Корунд, сод. Al 2O3>98% фр.7-3 мм	-	-	-	-	35
Корунд, сод. Al2O3 не менее 98,8% фр.6-3 мм	25	-	-	22	-
Корунд, сод. Al 2O3 не менее 98,8% фр.3-1 мм	13	-	-	15	26
Корунд, сод. Al2O 3 не менее 98,8% фр.1-0 мм	8	-	-	10	20
Шамот, сод. Al 2O3 не менее 78% фр.6-3	-	25	-	-	-
Шамот, сод. Al2O3 не менее 78% фр.3-1	-	15	-	-	-
Шамот, сод. Al2O 3 не менее 78% фр.1-0	-	20	-	-	-
Андалузит, сод. Al 2O3 не менее 57,6% фр.6-3	-	-	30	-	-
Андалузит, сод. Al2O3 не менее 57,6% фр.3-1	-	-	15	-	-
Андалузит, сод. Al 2O3 не менее 57,6% фр.1-0	-	-	10	-	-
Ультрадисперсный порошок фр.6-0,1 мкм	-	-	-	-	11
Алюмомагнезиальная шпинель фр.0,5-0 мм	20	15	15	21	-
Алюмомагнезиальная шпинель фр.<20 мкм	-	-	-	-	5
Тонкодисперсная матрица	30	20	22	28	-
ВГЦ	4	5	8	4	2
Пластификатор	0,045	0,07	0,07	0,045	1,0
Органическое волокно	-	-	-	0,035	-
Диспергирующий глинозем	0,2	0,4	0,4	0,2	-
Предел прочности при сжатии, МПа	90	85	60	91	80
Открытая пористость, %	21	20	19	20	22
Термостойкость, т/см (1300°С-вода)	30	27	100	34	25