Тема: Принципы повышения долговечности огнеупорных футеровочных материалов

Актуальность работы.
Одной из важных проблем в строительстве является изготовление материалов, которые обладают высокими физико-механическими свойствами, используются для футеровок тепловых агрегатов и работают в сложных физико-химических условиях (высокая температура, агрессивная газовая среда, прямой контакт материала футеровки с расплавами металлов и сплавов, расплавами флюсов).
При использовании штучных огнеупоров в футеровке швы между ними являются слабым местом. И разрушение футеровки начинается именно со швов. Особенно сильно это явление проявляется в металлургических печах, где имеются расплавы металлов и флюсов, которые, проникая в швы, очень быстро выводят футеровку из строя.
Поэтому для футеровки различных тепловых агрегатов все шире применяют крупноблочные элементы из жаростойких бетонов, использование которых позволяет свести до минимума количество швов, повысить стойкость и увеличить срок службы футеровки. Разработка и применение жаростойких бетонов в Российской Федерации получили широкое развитие. Область применения и требования к жаростойким бетонам определены ГОСТ 20910-2019 «Бетоны жаростойкие. Технические условия». В данном ГОСТе приведена классификация жаростойких бетонов, определены виды тонкомолотых добавок и заполнителей.
Для приготовления жаростойкого бетона в качестве вяжущего можно использовать портландцемент, быстротвердеющий портландцемент, шлакопортландцемент, жидкое стекло и силикат-глыбу, глиноземистый и высокоглиноземистый цементы.
Применение жаростойких бетонов позволяет рекомендовать такие конструктивные решения элементов промышленных печей, которые неосуществимы при использовании штучных огнеупоров.
Жаростойкие бетоны применяют в черной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, машиностроительной и целлюлозно-бумажной промышленности, на предприятиях строительных материалов, при обмуровке современных мощных котельных агрегатов, а также в жилищном строительстве.
«Проблема получения жаростойких бетонов тесно связана как с улучшением технологических и эксплуатационных свойств материала, так и с использованием техногенного сырья, возможности которого для этих целей недостаточно исследованы. В этой связи практический интерес представляет разработка новых видов жаростойких бетонов, производимых по малоемким технологиям на основе местных сырьевых материалов, различных промышленных отходов и побочных продуктов» [35].
Для изготовления жаростойких бетонов используются и тонкомолотые добавки и заполнители из дорогостоящих материалов (шамота, хромита, магнезита и т.д.). Но для их изготовления требуется выполнение энергоемких операций по помолу и рассеву, что усложняет технологию производства жаростойких бетонов на их основе. Поэтому важной задачей в промышленности является замена дефицитных и дорогостоящих заполнителей и тонкомолотых добавок местными материалами - отходами производства. Некоторые местные отходы промышленности можно использовать в качестве сырья для строительных материалов, в частности, изготовления жаростойких бетонов. Решение проблемы утилизации отходов способствует снижению стоимости строительных материалов и освобождает сельскохозяйственные угодья за счет ликвидации шлако- и шламоотвалов.
Отходы различных промышленных (металлургического, химического и нефтехимического) производств по своим физико-химическим свойствам могут быть надежной сырьевой базой строительных материалов. Они часто обогащены глинозем-, железо- и кремнеземсодержащими минералами, что подчеркивает теоретическое и практическое значение проблемы комплексного использования техногенного сырья, научно обоснованное Ю.М. Баженовым, П.И. Боженовым, Б.Н. Ласкориным, К.Д. Некрасовым, В.В. Жуковым, А.А. Новопашиным, Т.Б. Арбузовой, С.Ф. Кореньковой, А.Н. Абызовым и др.
Целью исследования является усовершенствование эффективных жаростойких бетонов для изготовления рабочей части футеровки промышленных плавильных, нагревательных и термических печей с агрессивной средой, обладающих высокой термостойкостью и повышенной химической сопротивляемостью к действию агрессивных сред (расплавов, газов-восстановителей и др.).
Предметом исследования является выбор вяжущего и микронаполнителей в качестве компонентов для получения жаростойких композиций с заданными свойствами.
Объектом исследования являются способы, с помощью которых можно получить высокотермостойкие химические стойкие футеровки тепловых агрегатов.
Задачи исследования:
1. Разработать теоретические и технологические принципы создания эффективных жаростойких бетонов для рабочей футеровки промышленных печей с высокой агрессивной средой;
2. Теоретически систематизировать и оценить композиционные жаростойкие вяжущие по такому эксплуатационному показателю, как химическая стойкость;
3. Проанализировать оптимальные составы цемента и тонкомолотой минеральной добавки для улучшения прочностных характеристик жаростойкого цементного камня;
4. Провести оценку свойств и составов жаростойких бетонов на портландцементе, шлакопортландцементе, глиноземистом и высокоглиноземистом цементах;
Методы исследования: моделирование.
Научная новизна.
1. Проанализированы основные принципы создания эффективных жаростойких бетонов с высокой термической стойкостью и химической сопротивляемостью к действию агрессивных сред .
2. Исследована возможность использования в качестве активной добавки глиноземистого цемента высокоактивного метакаолина для улучшения свойств жаростойкого цементного камня.
Практическая значимость.
Практическая значимость состоит в разработке эффективного выбора вяжущего и микронаполнителя для повышения свойств и коррозионной стойкости жаростойкого бетона.
Апробация результатов исследования. В ходе написания диссертации было опубликовано 2 статьи:
• Андреев П.Н. Влияние тонкости помола на свойства огнеупорных материалов // научно-техническая конференция студентов ТГУ, 2021.
• Шишканова В.Н., Андреев П.Н. Факторы, определяющие долговечность огнеупорных материалов /В.Н. Шишканова, П.Н. Андреев // Современная Российская наука: Актуальные вопросы, достижения и инновации. Сборник статей II Всероссийской научно-практической конференции. 7 мая 2021г., Наука и просвещение. Пенза.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников. Объем работы составляет: 19 таблиц, 5 рисунков, 59 источника используемой литературы, 3 из которых зарубежных авторов и переведены на русский язык, диссертационная работа описана на 74 страницах машинописного текста.
Купить

1. Проведенный поиск по научно-техническим источникам информации выявил классификацию агрессивных сред по такому критерию как степень агрессивности. Данная классификация агрессивности среды и предлагаемый критерий их оценки позволяют с достаточной достоверностью правильно выбрать тип вяжущего для изготовления жаростойкого бетона.
2. Установлено, что определяющим фактором повышения долговечности жаростойкого бетона является его электропроводность в целом. Скорость падения электросопротивления футеровочных материалов при увеличении температуры является причиной снижения их термической и химической стойкости.
3. С целью связывания свободного оксида кальция и повышения жароупорных свойств в качестве тонкомолотых добавок необходимо использовать вещества, содержащие глинозем и кремнезем. В результате проведения научно-технического анализа установлено влияние на свойства жаростойкого бетона вида тонкомолотой добавки в портландцемент. Введение в портландцемент тонкомолотых добавок, не содержащих компонентов глинозема и кремнезема, приводит к падению прочности жаростойкого бетона.
4. Проведена оценка свойств и составов жаростойких бетонов на портландцементе, шлакопортландцементе, глиноземистом и высокоглиноземистом цементах [52]. Бетон на глиноземистом цементе более огнеупорен и значительно быстрее твердеет в сравнении с бетонами на портландцементе. Бетоны на высокоглиноземистом цементе отличаются более высокой огнеупорностью и температурой применения в связи с высоким содержанием Al2O3.
5. Лабораторными исследованиями показано, что активными в композиции с глиноземистым цементом являются добавки на основе микрокремнезема и метакаолина. Данные добавки влияют на гидратацию глиноземистого цемента и минеральный состав цементного камня после обжига при высокотемпературном обжиге. Установлено, что добавка метакаолина активнее, чем добавка микрокремнезема. При исследовании прочностных свойств жаростойкого бетона на шамотном заполнителе показано, что прочность образцов бетона с метакаолином выше, чем прочность образцов бетона с добавкой микрокремнезема.
6. Жаростойкий бетон, изготовленный на высокоглиноземистом цементе с содержанием метакаолина в количестве до 15%, при нагревании до 1200 - 1400 °С показывает высокую остаточную прочность. При этом усадка цементного камня наименьшая при нагревании до 1200 °С, и как следствие этого, повышается трещиностойкость.
Купить