бетонная масса

Формула изобретения

Бетонная масса, включающая карбид кремния фракции 630-1600 мкм, микрокремнезем, высокоглиноземистый цемент, высокоглиноземистый компонент, пластификатор и воду затворения, отличающаяся тем, что дополнительно содержит карбид кремния фракции меньше 63 мкм, а высокоглиноземистый компонент представлен реактивным и активным глиноземом при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния фракции меньше 63 мкм	8,8-13,0
Реактивный глинозем	10,0-13,0
Активный глинозем	0,1-6,0
Высокоглиноземистый цемент	0,1-6,0
Микрокремнезем	3,8-6,0
Пластификатор - триполифосфат натрия
и лимонная кислота в соотношении 1:1	0,5-1,0
Карбид кремния фракции 630-1600 мкм	остальное
Вода, сверх 100%	4,5-5,5

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составу бетононной массы для изготовления без обжиговых и обжиговых огнеупорных изделий, выполнения монолитных футеровок, высокотемпературных агрегатов в металлургии и других отраслях промышленности.

Известны карбидкремниевые бетонные массы и изделия из нее: патент US 5,214,006, C04B 35/56 1993 г.; RU 2257361 C1, C04B 35/56, 2004 г.; RU 2055054, C04B 35/66 1996 г.

Бетонная масса (US 5,214,006, кл. C04B 35/56 1993) содержит, мас.%: карбид кремния 87%; щелочные фосфаты 5%; глинозем 5%; микрокремнезем 3%. Недостатком бетонной массы является повышенное содержание воды затворителя - 6,5 мас.%, и как следствие, высокие значения открытой пористости более 20%, присутствие щелочей, которые отрицательно влияют на устойчивость к действию расплава шлака, криолита.

Известна огнеупорная бетонная масса (RU 2055054, кл. C04B 35/66 1996), содержащая, мас.%: бой карбидкремниевых изделий фарфорового производства с содержанием карбида кремния 45-60% (основа); высокоглиноземистый цемент 4-8%; корундовую пыль глиноземного производства 5-10%; огнеупорную глину 10-20%; водную суспензию тонкомолотого корунда 4-10%; лигносульфонат технический 1-2%. Недостатком состава такой бетонной массы является использование в составе боя карбидкремниевых изделий фарфорового производства с большим количеством примесных компонентов, приводящих к образованию жидкой фазы. Присутствие огнеупорной глины в больших количествах снижает огнеупорность, что приводит к снижению свойств изделий из нее: огнеупорности, коррозионной и эрозионной стойкости, потеря прочности выше 1400°C.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является карбидкремниевая бетонная масса патент RU 2257361 C1, C04B 35/56, 2004 г. Состав массы представлен, мас.%: пластификатор 0,3-0,5; микрокремнезем 2,0-5,0; высокоглиноземистый цемент 7,0-10,0 и карбид кремния остальное. Бетон дополнительно содержит высокоглиноземистый компонент в виде пыли с электрофильтров печей кальцинации глиноземного производства или в виде электрокорунда 5-15 мас.%. Недостатком бетонной массы является присутствие в составе большого количества высокоглиноземистого цемента. Для придания подвижности такой массы необходимо повышенное содержание воды, что приводит к увеличению пористости, уменьшению механической прочности. Изделия из такой бетонной массы характеризуются пониженной плотностью, высокой пористостью, низкой механической прочностью, высокой окисляемостью. Кроме того, повышенная пористость снижает устойчивость бетона к коррозии расплавами шлаков.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка бетонной массы для получения из нее бетонных изделий с пониженной открытой пористостью, с повышенной механической прочностью, повышенной плотностью, с высокой температурой начала деформации под нагрузкой и устранения разупрочнения при термоциклировании.

Технический эффект состоит в повышении свойств изделий из бетонной массы: плотности свыше 2.67 г/мм³; в повышении термостойкости свыше 30 теплосмен (1000°C - вода); в устранении разупрочнения при термоциклировании; в снижении открытой пористости до 13,3%; повышении механической прочности до 150 МПа; исключении разупрочнения в интервале 600-1000°C; в повышении стойкости к окислению; кроме того повышается устойчивость к действию расплава доменного шлака и криолита.

Повышение физико-технических свойств достигается за счет того, что бетонная масса дополнительно содержит карбид кремния фракции меньше 63 мкм, а высокоглиноземистый компонент представлен реактивным и активным глиноземом соответственно, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния меньше 63 мкм	8,8-13,0
Реактивный глинозем	10,0-13,0
Активный глинозем	0,1-6,0
Высокоглиноземистый цемент	0,1-6,0
Микрокремнезем	3,8-6,0
Пластификатор	0,5-1,0
Карбид кремния фракции 630-1600 мкм	остальное
Вода, сверх 100%	4,5-5,5

Введение микрокремнезема в матрицу бетонов улучшает текучесть и снижает водопотребность массы. Микрокремнезем при взаимодействии с CaO высокоглиноземистого цемента по реакции Ca(OH)₂+SiO ₂=CaO·SiO₂·H₂O образует гелеобразные продукты, заполняющие поры в бетоне. Введение микрокремнезема исключает разупрочнение образцов бетона в интервале 600-1100°C. При введении менее 3,8 мас.% микрокремнезема в массу происходит снижение подвижности массы, а при введении более 6,0 мас.% увеличивается срок затвердевания массы.

Введение реактивного глинозема позволяет исключить дилатансию реологического поведения бетонов, а также способствует повышению прочности, снижению окисляемости и повышению термомеханических свойств изделий. При высоких температурах реактивный глинозем реагирует с микрокремнеземом, образует вторичный муллит в форме игл, которые армируют структуру изделий. Муллит образует высокотемпературную минеральную связку и обеспечивает повышение прочности изделий, а также способствует повышению термостойкости. При введении менее 10 мас.% реактивного глинозема происходит уменьшение механической прочности, а увеличение содержания реактивного глинозема более 13,0 мас.% приводит к уменьшению механической прочности.

Введение активного глинозема обеспечивает при реакции с водой гелеобразование алюмогидратов, улучшающих подвижность массы, которые при нагревании выше 1000°C образуют кристаллы -Al₂O₃, формирующие затем минеральную связку. При введении активного глинозема менее 1,5 мас.% ухудшается химическая стойкость к расплаву шлака и криолита, а при введении активного глинозема более 6 мас.% увеличивается открытая пористость, уменьшается механическая прочность.

Введение высокоглиноземистого цемента влияет на технологичность смесей, связанную с водопотребностью, жизнеспособностью, временем схватывания, характером набора прочности. При введении высокоглиноземистого цемента менее 1,5 мас.% происходит уменьшение механической прочности, а при введении высокоглиноземистого цемента более 6,0 мас.% уменьшается химическая стойкость к расплаву шлака и криолита.

Введение карбида кремния фракции меньше 63 мкм способствует увеличению плотности упаковки, уменьшению пористости, увеличению прочности и образованию мелкопористой структуры. При введении карбида кремния фракции меньше 63 мкм менее 8,8 мас.% увеличивается пористость и уменьшается механическая прочность, а при введении карбида кремния фракции меньше 63 мкм более 13 мас.% происходит увеличение открытой пористости.

При разработке бетонной массы использовали карбид кремния фракции 630-1600 мкм производства ОАО «Волжский абразивный завод» ГОСТ 26327-84, карбид кремния меньше 63 мкм производства ОАО «Волжский абразивный завод» ГОСТ 26327-84, микрокремнезем марки МК 85, высокоглиноземистый цемент марки ВГЦ-II, CEMBOR-73, пластификатор триполифосфат натрия и лимонную кислоту, реактивный глинозем марки СТС 22 и СТС 20, активный глинозем из числа растворимых форм типа «Альфабонд» марок 300, 500, гидрооксидные формы алюминия по ТУ 1711-99-039-2000.

Физико-технические свойства определяли по стандартным методам:

Кажущаяся плотность, открытая пористость по ГОСТ 2409-95.

Предел прочности при сжатии по ГОСТ Р 5306.2-2008.

Температура начала деформации в воздушной атмосфере по ISO 1893-1989.

Термическая стойкость по ГОСТ 7875.2-94.

Окисляемость определяли по привесу карбида кремния на термообработанных в окислительной атмосфере образцах при Т=1550°C с выдержкой 2 часа.

Коррозионную устойчивость определяли тигельным методом к расплаву доменного шлака при T=1500°C выдержка 1 час, к расплаву криолита при Т=1000°C выдержка 1 час.

В таблице 1 приведены составы заявляемой бетонной массы, в таблице 2 приведены физико-технические свойства бетонной массы после сушки при Т=125°C, в таблице 3 приведены физико-технические свойства бетонной массы после обжига в среде N₂ при Т=1300°C.

Примеры реализации бетонной массы:

Пример 1. Для получения бетонной массы к 76,7 мас.% карбида кремния фракции 630-1600 мкм ГОСТ 26327-84 добавляли карбид кремния фракции меньше 63 мкм ГОСТ 26327-84 8,8 мас.%, микрокремнезем МК 85 3,8 мас.%, реактивный глинозем СТС 22 10,0 мас.%, активный глинозем «Альфабонд 300» 0,1 мас%, высокоглиноземистый цемент CEMBOR-73 0,1 мас.%, пластификатор 0,5 мас.% триполифосфат натрия и лимонная кислота (в соотношении 1:1) - сухую смесь смешивали в роторной мешалке 4 мин. В подготовленную смесь вводили воду затворения 4,5 мас.% сверх 100%, после чего увлажненную массу перемешивали в течение 3 мин. Образцы формовали на вибростоле без пригруза. Отформованные образцы выдерживали в металлической форме при комнатной температуре в течение 3 часов. Сушку образцов проводили при Т=125°C, выдержка 1 час. Обжиг образцов производили в печи в среде N ₂ при Т=1300°C, выдержка 1 час (таблица 1, состав № 1; таблица 3, свойства - состав № 1).

Пример 2. Для получения бетонной массы к 66,7 мас.% карбида кремния фракции 630-1600мкм ГОСТ 26327-84 добавляли карбид кремния фракции меньше 63 мкм ГОСТ 26327-84 8,8 мас.%, микрокремнезем МК 85 5,4 мас.%, реактивный глинозем СТС 22 12,0 мас.%, активный глинозем «Альфабонд 300» 6,0 мас%, высокоглиноземистый цемент CEMBOR-73 0,1 мас.%, пластификатор 1,0 мас.% триполифосфат натрия и лимонная кислота (в соотношении 1:1) - сухую смесь смешивали в роторной мешалке 4 мин. В подготовленную смесь вводили воду затворения 5,0 мас.% сверх 100%, после чего увлажненную массу перемешивали в течение 3 мин. Образцы формовали на вибростоле без пригруза. Отформованные образцы выдерживали в металлической форме при комнатной температуре в течение 3 часов. Сушку образцов проводили при Т=125°C, выдержка 1 час. Обжиг образцов производили в печи в среде N₂ при Т=1300°C, выдержка 1 час (таблица 1, состав № 3; таблица 3, свойства - состав № 3).

Пример 3. Для получения бетонной массы к 66,9 мас.% карбида кремния фракции 630-1600 мкм ГОСТ 26327-84 добавляли карбид кремния фракции меньше 63 мкм ГОСТ 26327-84 10,0 мас.%, микрокремнезем МК 85 5,0 мас.%, реактивный глинозем СТС 22 12,0 мас.%; активный глинозем «Альфабонд 300» 0,1 мас%, высокоглиноземистый цемент CEMBOR-73 5,0 мас.%, пластификатор 1,0 мас.% триполифосфат натрия и лимонная кислота (в соотношении 1:1) - сухую смесь смешивали в роторной мешалке 4 мин. В подготовленную смесь вводили воду затворения 5,0 мас.% сверх 100%, после чего увлажненную массу перемешивали в течение 3 мин. Образцы формовали на вибростоле без пригруза. Отформованные образцы выдерживали в металлической форме при комнатной температуре в течение 3 часов. Сушку образцов проводили при Т=125°C, выдержка 1 час. Обжиг образцов производили в печи в среде N₂ при Т=1300°C, выдержка 1 час (таблица 1, состав № 5; таблица 3, свойства - состав № 5).

Пример 4. Для получения бетонной массы к 67,4 мас.% карбида кремния фракции 630-1600 мкм ГОСТ 26327-84 добавляли карбид кремния фракции меньше 63 мкм ГОСТ 26327-84 10,6 мас.%, микрокремнезем МК 85 5,4 мас.%, реактивный глинозем СТС 22 12,0 мас.%, активный глинозем «Альфабонд 300» 0,1 мас%, высокоглиноземистый цемент CEMBOR-73 4,0 мас.%, пластификатор 0,5 мас.% триполифосфат натрия и лимонная кислота (в соотношении 1:1) - сухую смесь смешивали в роторной мешалке 4 мин. В подготовленную смесь вводили воду затворения 5,0 мас.% сверх 100%, после чего увлажненную массу перемешивали в течение 3 мин. Образцы формовали на вибростоле без пригруза. Отформованные образцы выдерживали в металлической форме при комнатной температуре в течение 3 часов. Сушку образцов проводили при Т=125°C, выдержка 1 час. Обжиг образцов производили в печи в среде N₂ при Т=1300°C, выдержка 1 час (таблица 1, состав № 7; таблица 3, свойства - состав № 7).

Пример 5. Для получения бетонной массы к 55,0 мас.% карбида кремния фракции 630-1600 мкм ГОСТ 26327-84 добавляли карбид кремния фракции меньше 63 мкм ГОСТ 26327-84 13,0 мас.%, микрокремнезем МК 85 6,0 мас.%, реактивный глинозем СТС 22 13,0 мас.%, активный глинозем "Альфабонд 300" 6,0 мас.%, высокоглинозёмистый цемент CEMBOR-73 6,0 мас.%, пластификатор 1,0 мас.% триполифосфат натрия и лимонная кислота (в соотношении 1:1) - сухую смесь смешивали в роторной мешалке 4 мин. В подготовленную смесь вводили воду затворения 5,5 мас.% сверх 100%, после чего увлажненную массу перемешивали в течение 3 мин. Образцы формовали на вибростоле без пригруза. Отформованные образцы выдерживали в металлической форме при комнатной температуре в течение 3 часов. Сушку образцов проводили при Т=125°C, выдержка 1 час. Обжиг образцов производили в печи в среде N₂ при Т=1300°C, выдержка 1 час (таблица 1, состав № 10; таблица 3, свойства - состав № 10).

Составы бетонных масс № 2, № 4, № 6, № 8, № 9 (таблица 1) приготавливали аналогично примерам 1-5.

Таблица 1
Состав бетонной массы
Компонент	Заявляемая бетонная масса	Составы но прототипу, пат. RU 2257361
мас.%	мас.%
№ 1	№ 2	№ 3	№ 4	№ 5	№ 6	№ 7	№ 8	№ 9	№ 10	№ 1	№ 2	№ 3
Микрокремнезем МК85	3,8	3,8	5,4	5,4	5,0	5,4	5,4	4,4	5,4	6,0	3,0	3,0	3,0
Реактивный глинозем СТС 22	10,0	12,0*	12,0	11,0	12,0	12,0*	12,0	10,5*	12,0	13,0	-	-	-
Активный глинозем «Альфабонд 300»	0,1	0,1	6,0	1,5**	0,1	4,0**	0,1	1,5	0,1	6,0	-	-	-
ВГЦ CEMBOR-73	0,1	5,0	0,1	2,5	5,0	0,1	4,0	5,0	6,0	6,0	8,0	8,0	8,0
SiC меньше 63 мкм	8,8	10,0	8,8	10,6	10,0	10,6	10,6	11,8	10,6	13,0	-	-	-
Электрокорунд	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	15,0	-
Пыль с эл. фильтров печей кальцинации глинозема	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	15
Пластификатор триполифосфат натрия и лимонная кислота (соотношение 1:1)	0,5	0,5	1,0	0,5	1,0	1,0	0,5	0,5	0,5	1,0	0,5
SiC фp. 630-1600 мкм	76,7	68,6	66,7	68,5	66,9	66,9	67,4	66,3	65,4	55,0	88,5	73,5	73,5
Вода, сверх 100%	4,5	4,9	5,0	4,8	5,0	5,2	5,0	5,1	5,2	5,5	7,0-9,0
* - СТС 20;
** - «Альфабонд 500».

Таблица 2
Физико-технические свойства образцов после сушки при Т=125°C
Пример	Потк, %	каж, г/см3	сж, МПа
№ 4	14,3	2,67	51,6
№ 6	13,8	2,65	41,2
№ 8	13,7	2,75	53,4

Таблица 3
Физико-технические свойства образцов после обжига, 1300°C
Свойства заявляемого материала	Свойства прототипа, пат. RU 2257361
Свойства	Пример	Пример
№ 1	№ 2	№ 3	№ 4	№ 5	№ 6	№ 7	№ 8	№ 9	№ 10	№ 1	№ 2	№ 3
Т обж, °C	1300	1300
П отк, %	16,2	13,4	15,4	15,4	14,3	15,4	14,1	13,3	13,9	14,8	17	17,1	16,5
каж, г/см3	2,67	2,71	2,69	2,68	2,69	2,68	2,69	2,76	2,69	2,70	2,55	2,64	2,58
сж, МПа	85	150	115	100	128	90	122	122	133	96	75,1	84,8	95,3
сж после 30 теплосмен, МПа	80	149	108	86	122	87	116	115	130	91	-	-	-
Термостойкость, 1000°C - вода	св. 30	св. 30	св. 30	св. 30	св. 30	св. 30	св. 30	св. 30	св. 30	св. 30	-	-	-
Температура начала деформации под нагрузкой, 0,5/1,0%	1520/1600	1540/1620	1580/1650	1560/1630	1540/1620	1580/1650	1540/1620	1555/1630	1540/ 1610	1530/ 1605	-	-	-
Окисление SiC, отн. % *	2,8	1,2	2,6	2,5	1,7	2,2	1,6	1,1	-	2,1	3,2	-	-
Устойчивость к доменному шлаку (основность 1,10), площадь пропитки, мм 2	-	-	-	-	-	119	-	-	574	-	-	-	-
Устойчивость к расплаву криолита (КО=2,55), площадь пропитки, мм2	-	-	-	-	-	181	-	-	206	-	-	-	-
* Значения окисления SiC приведены для заявляемого материала после нагрева при 1550°C, а для прототипа после нагрева при 1300°С.

Таким образом, бетонные изделия из заявляемой бетонной массы обладают высокими показателями физико-технических свойств: плотности, механической прочности, низкими значениями открытой пористости, отсутствием разупрочнения при термоциклировании, низкой окисляемостью и высокой устойчивостью при воздействии расплава доменного шлака и криолита.