композиция для изготовления жаростойких композитов

Формула изобретения

Композиция для изготовления жаростойких композитов, включающая отработанный катализатор ИМ-2201, щебень, песок и Н₃ РO₄, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола с содержанием, мас.%: SiO₂ - 2,5; Al₂O₃ - 64,4; Fe₂O ₃ - 1,1; CaO - 4,4; MgO - 4,2; R₂O - 17,2; п.п.п. - 5,3, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

отработанный катализатор ИМ-2201	10-15
щебень	33-40
песок	10-13
H3PO4	10-15
алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков
производств этил- и изопропилбензола, с содержанием, мас.%:
SiO2 - 2,5; Al 2O3 - 64,4; Fe2O3 - 1,1; CaO - 4,4; MgO - 4,2;
R2O - 17,2; п.п.п. - 5,3	24-30

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к производству жаростойких композитов (бетонов) на основе химических связующих. К химически связующим, применяемым в жаростойких бетонах, относятся жидкое стекло, силикат-глыбу (прозрачный стекловидный сплав щелочных силикатов - полуфабрикат жидкого стекла) и фосфатные связки.

Известны композиции для получения пористых заполнителей (для бетонов) на основе химических связующих следующего состава, мас.%: жидкое стекло - 45-65; хлорид натрия - 5-15; отход горно-обогатительной фабрики при обогащении угля - 15-20; межсланцевая глина, образующаяся при добыче горючих сланцев, - 15-20 (Пат. Российской Федерации № 2440312, МПК С04В 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя /Абдрахимова Е.С., Рощупкина И.Ю., Абдрахимов В.З., Куликов В.А.; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. № 2010122114. Заявл. 31.05.2010. Опубл. 20.01.2012. Бюл. № 2) [1].

Недостатком указанного состава композиции является относительно низкая прочность 2,65-2,75 МПа.

Наиболее близкой к изобретению является композиция для получения жаростойких композитов, включающая следующие компоненты, мас.%: глиноземсодержащий шлам - 10,5-10,53 (220 кг/м³); отработанный катализатор ИМ-2201 - 10,5-10,53 (220 кг/м³ ); щебень - 35,88-35,89 (750 кг/м³); песок - 30,62-30,63 (640 кг/м³); Н₃РО₄ - 12,44-12,45 (260 кг/м³) (Хлыстов А.И. Повышение эффективности жаростойких композитов за счет применения химических связующих /А.И. Хлыстов, С.В. Соколова, А.В. Власов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - № 9. - С.38-42) [2].

Недостатком указанного состава керамической массы являются относительно низкий предел прочности при сжатии после твердения и нагревания до температуры 1200°С и низкая термостойкость.

Сущность изобретения - повышение качества жаростойкого композита.

Техническим результатом изобретения является повышение предела прочности при сжатии и термостойкости жаростойких композитов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известную композицию, включающую отработанный катализатор ИМ-2201, щебень, песок и H₃PO₄, дополнительно вводят алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола с содержанием, мас.%: SiO₂ - 2,5; Al₂O ₃ - 64,4; Fe₂O₃ - 1,1; CaO - 4,4; MgO - 4,2; R₂O - 17,2; п.п.п. - 5,3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

отработанный катализатор ИМ-2201	10-15
щебень	33-40
песок	10-13
Н3РО4	10-15
алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков
производств этил- и изопропилбензола, с содержанием, мас.%:
SiO2 - 2,5; Al 2O3 - 64,4; Fe2O3 - 1,1; CaO - 4,4; MgO - 4,2;
R2O - 17,2; п.п.п.- 5,3	24-30

Алюмосодержащий шлам образуется в химической промышленности при очистки стоков производств этил- и изопропилбензола от остаточного хлористого алюминия, используемого в технологическом процессе как катализатор, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола. Сточные воды вследствие гидролиза AlCl ₃ носят кислый характер (рН - 2÷3) и нейтрализуется известковым молоком (рН - 8,5-9,5).

Шлам после осаждения направляется на обезвоживания на фильтр-пресс и далее на утилизацию.

Химический оксидный состав шламов представлен в таблице 1, а поэлементный в таблице 2.

Таблица 1
Химические составы алюмосодержащих отходов производств
Компонент	Содержание оксидов, мас.%
	SiO 2	Al2O3	Fe2O	CaO	MgO	Cr2O 3	R2O	П.п.п
1. Алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола	2,5	64,4	1,1	4,4	4,2		17,2	5,3
2. Отработанный катализатор ИМ-2201	7,90	74,5	0,15	-	0,10	14,8	1,57	-

Таблица 2
Поэлементный химический состав компонентов
Компонент	Концентрация, мас.%
	0	Al	Mg	Na	Ca	Fe	Si	Cr
1. Алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола	66,63	22,47	0,7	8,2	0,8	0,2	1,08	-
Катализатор ИМ-2201	60,74	26,58	-	2,81	-	-	2,82	8,1

Имея повышенное содержание оксида алюминия и оксидов натрия, алюмощелочной шлам способствует повышению прочности и спеканию жаростойких композитов. Отличительной особенностью алюмощелочного шлама является высокая степень дисперсности. По этому признаку он не имеет себе равных среди порошкообразных материалов, получаемых механическим измельчением. Высокая степень дисперсности (10000-12000 см²/г) придает шламу устойчивую коагуляционную структуру, типичную для всех гелей и высокую пластичность (более 12).

Используемые в настоящей работе шламовые отходы отличаются от высокодисперсных порошкообразных материалов природного и техногенного происхождения наноразмерностью, которая находится в пределах от 80 до 3000 нм и зависит от условий образования. Исследования образцов шламов с целью определения размерности его частиц были приведены методом малоуглового рассеяния нейтронов на дифрактометре «Мембрана-2».

Эффект от внедрения наноразмерных частиц принципиально выражается в том, что в системе появляется не только дополнительная граница раздела, но и носитель квантово-механических проявлений. Присутствие в системе наноразмерных частиц способствует увеличению объема адсорбционно и хемосорбционно связываемой ими воды и уменьшению объема капиллярно-связанной и свободной воды, что приводит к повышению пластичности керамической массы и прочностных показателей.

Для изготовления жаростойких композитов использовались: щебень и песок, которые применяются в бетонах и жаростойких композитах, согласно требованиям ГОСТов.

А) щебень, отвечающий требованиям ГОСТа Г 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» М 600, 800 - 1000, со средней плотностью зерен от 2,0 до 2,5 кг/м³ из карбонатных пород, добываемый в Самарской области, фракции 5-10 мм;

Б) песок, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия» Песок речной, добываемый в Самарской области, имел следующие показатели: средняя плотность в сухом состоянии - 1,5 кг/м³; содержание илистых, пылевидных и глинистых частиц не более - 0,7% по массе; истинная плотность песка речного - 2,65 г/см³; наличие суглинка, комков глины и прочих засоряющих примесей не более - 0,05%; модуль крупности - 1,68. Обычно в составах жаростойких бетонов содержание щебня и песка доходит до 60% и более. В предлагаемых составах максимальное содержание данных природных инертных материалов составляет не более 50% и до 39% - отходы производств (таблица 3).

Таблица 3
Составы для получения жаростойких бетонов
Компоненты	Содержание компонентов, мас.%
	1	2	3
Отработанный катализатор ИМ-2201 согласно ТУ 38.103544-89, насыпная плотность 1,0-1,5 г/см3	10	12	15
Щебень ГОСТ 8267-93. М800, плотность 2,2 кг/м 3	40	38	33
Песок ГОСТ 8736-93, модуль крупности - 1,68, средняя плотность - 1,5 кг/м 3	10	11	13
Ортофосфорная кислота H3PO4 в чистом виде по ГОСТ 6552-80, норма - чистый (ч.) ОКП 26 1213 0021 10. Массовая доля ортофосфорной кислоты (H3PO4) не менее 85%, плотность не менее 1,69 г/см3	10	12	15
Алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола	30	27	24

Для изготовления жаростойких композитов использовалась в качестве связующей ортофосфорная кислота H ₃PO₄ в чистом виде по ГОСТ 6552-80, норма - чистый (ч.) ОКП 26 1213 0021 10. Массовая доля ортофосфорной кислоты (H₃PO₄) не менее 85%, плотность не менее 1,69 г/см³.

В заявке, как и в прототипе, использовался отработанный катализатор ИМ-21 (отходы производства) - ТУ 38.103544-89. Химические составы катализатора: оксидный и поэлементный представлены в таблицах 1 и 2.

Согласно ТУ 38.103544-89 отработанный катализатор ИМ-2201 должен иметь следующие показатели: внешний вид порошка - серо-зеленого цвета, насыпная плотность 1,0-1,5 г/см³; массовая доля Al₂О₃ не менее 70%.

Отработанный катализатор использовался как огнеупорный материал.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Технологический процесс производства бесцементных жаростойких композитов (бетонов) и изготовления изделий и конструкции из них включает в себя приготовление формовочной массы, формование изделий и термообработку.

Следует отметить, что для своего затвердения и набора марочной прочности жаростойкие композиты (бетоны) требуют особую термообработку.

Для композитов (бетонов) на ортофосфорной кислоте с компонентами, представленными в таблице 3 - нагревание до 500°С с подъемом температуры до 200°С со скоростью 60°С/час и до 500°С - 150°С/час, выдерживание в течение 4 часов, охлаждение вместе с печью.

В таблице 4 представлены физико-механические показатели жаростойкого композита (бетона).

Таблица 4
Физико-механические показатели жаростойкого композита (бетона), после твердения и нагревания до температуры 1200°С
Показатели	Составы			Прототип
	1	2	3
Термостойкость, °С	30	32	33	29
Механическая прочность на сжатие, МПа	46,8	47,9	48,2	46
Огнеупорность, °С	1420	1460	1450	-
Температура под нагрузкой 0,2 МПа, °С.	1360	1380	1370	-

Как видно из таблицы 4, жаростойкий композит (бетон) из предложенных составов имеет более высокие показатели по механической прочности и термостойкости, чем прототип.

Полученное техническое решение при использовании алюмосодержащих шламов, полученных при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола позволяет повысить показатели по механической прочности и термостойкости жаростойкого композита (бетона).

Использование техногенного сырья при получении жаростойкого бетона способствует утилизации промышленных отходов, охране окружающей среды, расширению сырьевой базы для строительных материалов.

Источники информации

1. Пат. Российской Федерации № 2440312, МПК С04В 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя /Абдрахимова Е.С., Рощупкина И.Ю., Абдрахимов В.З., Куликов В.А.; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. - № 2010122114. Заявл. 31.05.2010. Опубл. 20.01.2012. Бюл. № 2.

2. Хлыстов А.И. Повышение эффективности жаростойких композитов за счет применения химических связующих /А.И. Хлыстов, С.В. Соколова, А.В. Власов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - № 9. - С.38-42.