Жаростойкие композиты на основе металлургических шлаков

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЖАРОСТОЙКИЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ

Малькова М.Ю. канд. техн. наук, доцент

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Применение жаростойкого бетона и железобетона при использовании индустриальных методов строительства позволяет возводить теплотехнические сооружения любых конструктивных решений. При этом значительно сокращаются сроки строительства, снижается стоимость, повышается надежность их работы, долговечность и ремонтоспособность. В отличие от штучных огнеупоров жаростойкие бетоны не нуждаются в предварительном обжиге, их огневая обработка осуществляется в тепловом агрегате в период его пуска. Жаростойкие бетоны могут быть использованы в виде крупных блоков или монолитных конструкций, которые более экономичны по сравнению с мелкоштучными огнеупорными изделиями.

Сырьем для производства жаростойких композиций могут служить металлургические шлаки, которые, благодаря своим технологическим свойствам, уже давно зарекомендовали себя, как важное минеральное сырье.

Цель данной работы заключалась в разработке составов и технологии жаростойких композиций на основе металлургических шлаков различных регионов России и Украины. Исследования проводились в два этапа. Первая часть поисковых исследований была посвящена изучению влияния процессов фазообразования шлаковых вяжущих на термомеханические свойства жаростойких бетонов. Вторая, поиску путей повышения температуры службы жаростойких материалов на основе металлургических шлаков и технологических приемов, позволяющих получить материалы с высокими эксплуатационными характеристиками.

В качестве сырьевых компонентов использовались различные по основности доменные гранулированные шлаки, сталеплавильный шлак ОАО «ОЭМК» г. Старый Оскол, песок кварцевый Новиковского месторождения (SiO₂ не менее 95%); полифосфат и триполифосфат натрия порошкообразные ГОСТ 20291-80; силикат натрия растворимый ГОСТ 13079-81 (М_с=2,6…3,0).

Усредненный химический состав шлаков приведен в таблице 1.

Таблица 1 Химический состав шлаков

Результаты рентгенофазового и кристаллооптического методов исследований показали, что наиболее обогащен стеклофазой мелилитового состава доменный гранулированный шлак ОАО "Западно-Сибирский МК", г. Новокузнецк. Кристаллические фазы в нем представлены микролитами мелилита (d/n, Е - 3.08, 2.876, 2.74, 1.762,). и волластонита (d/n, Е-3.09,2.97,2.80,2.55,). В доменном шлаке ОАО «Челябинский МК» кроме мелилита обнаружен анортит (d/n, Е-3,22, 3,17,3,13) и ларнит. В доменном шлаке ОАО «Азовсталь», г. Мариуполь основная минеральная фаза - стеклофаза мервинит-мелилитового состава, а среди кристаллических фаз преобладают ранкинит (d/n, Е- 3.333, 3.238, 3,020), ларнит (d/n, Е-2.78, 2.74, 2.56), мервинит (d/n, Е-2.67, 2.62). В составе сталеплавильного шлака ОАО «ОЭМК», г. Старый Оскол присутствуют минералы ранкинит, ларнит, мервинит. Наличие железа в форме вьюстита (d/n, Е-2,475,1,652) достигает 5%.

Образцы жаростойких бетонов готовились методом виброуплотнения. Тонкомолотая часть состояла из доменного шлака или из доменного и сталеплавильного шлаков. Заполнитель - гранулированный шлак, связка - жидкое стекло (плотность - 1,4 г/см³, М_с =3,2). После твердения в воздушно-сухих условиях и сушки до постоянной массы при температуре 120^оС, для изучения термомеханических свойств образцы обжигались при 300^о, 700^о, 1000^о, 1200^оС.

Для исследования физико-химических процессов, происходящих в структуре шлаковых изделий при высокотемпературном нагреве, применялись рентгенофазовый и дифференциально - термический методы анализа.

По данным рентгенофазового анализа при термической обработке всех составов конечным продуктом является мелилит. Наиболее интенсивное образование мелилита характерно в случае использования новокузнецкого шлака, причем его кристаллизация идет непосредственно за счет раскристаллизации шлакового стекла. При термической обработке образцов на основе челябинского и мариупольского шлаков образова-ние мелилита идет в две ступени с участием промежуточных фаз - ларнита, ранкинита и мервинита, что наиболее ярко выражено при вводе в состав вяжущего высокоосновного сталеплавильного шлака в связи с чем, нарушается непрерывность структурообразования.

Таблица 2 Термомеханические свойства жаростойких материалов (Т _обж =1000^оС)

При сравнительном анализе дериватограмм и свойств материалов, термообработанных при различных температурах, наблюдается взаимосвязь между термомеханическими показателями образцов и поведением активированного силикатом натрия шлакового стекла при нагревании. Свойства образцов (табл.2) находятся в прямой зависимости от площади экзотермического эффекта при 850…950^оС, связанного с раскристаллизацией шлакового стекла. Установлено, что формирование структуры жаростойкого композита с высокими термомеханическими и термофизическими свойствами происходит, если стабильная высокотемпературная минеральная фаза образуется непосредственно за счет раскристаллизации шлакового стекла. жаростойкий бетон термомеханический химический

На втором этапе исследований механоактивированное вяжущее на основе готовили по методике [4]. Совместный помол ингредиентов (доменный гранулированный шлак, кварцевый песок, полифосфат или триполифосфат натрия, силикат натрия) осуществляли в шаровой мельнице до S_уд =400 и 650 м² /кг. Соотношение кремнеземистой и шлаковой составляющей: 10:1, 2:1, 1:1, 1:4. В качестве заполнителя использовали кварцевый песок и доменный гранулированный шлак. Оптимальное соотношение всех компонентов подбирали с учетом технологических свойств бетонной смеси. После термической обработки 300…1200^оС были изучены термомеханические свойства образцов

Рис. 1. Термомеханические свойства жаростойких бетонов с различным заполнителем (S_уд.вяж.=650м²/кг) Кремнеземисто-шлаковое вяжущее 10:1: а - прочность при сжатии; б - объемная огневая усадка; в - кажущаяся пористость. Условные обозначения: - заполнитель кварцевый песок, полифосфат натрия, * - заполнитель кварцевый песок, триполифосфат натрия, ^- заполнитель шлак, полифосфат натрия, Ч - заполнитель шлак, триполифосфат натрия.

При изучение влияния вида заполнителя и дисперсности механоактивированного вяжущего с минимальным содержанием шлаковой составляющей (12%) на эксплуатационные характеристики жаростойких материалов выявлено (рис.1), что образцы с полифосфатом натрия в составе вяжущего обладают более высокой монтажной прочность у_сж=20 МПа ( на 70% выше, чем у аналогичных составов на триполифосфате натрия) и низкой кажущейся пористостью (21…23%). Причем наблюдается рост прочности при сжатии вплоть до Т_обж.=1200⁰С (у_сж=35 МПа). Однако при использовании в качестве заполнителя доменного гранулированного шлака и триполифосфата натрия в составе вяжущего получены образцы с минимальной огневой усадкой 0,2% (рис. 1). Увеличение дисперсности матрицы с 400 до 650 м²/кг повышает прочностные показатели на 25%( табл.3).

Таблица 3 Термомеханические свойства образцов жаростойких композиций (соотношение кремнеземистой и шлаковой составляющей 10:1)

Повышение содержания тонкомолотого доменного гранулированного шлака в вяжущем до 80% (табл.4) увеличивает прочностные показатели образцов всех составов примерно на 40%. Лучшими термомеханическими свойствами при Т_обж 1200^оС характеризуются составы с новокузнецким и мариупольским шлаками.

Таблица 4 Термомеханические свойства жаростойких материалов на основе механоактивированного кремнеземисто-шлакового вяжущего (Т _обж =1200^оС)

Анализ результатов рентгенофазового и кристаллооптического исследований термообработанных образцов жаростойких материалов показал, что уже при температуре обжига 1000⁰С в составах с максимальным содержанием тонкомолотого доменного шлака в вяжущем, 90% зерен кварцевого заполнителя замещено кристобалитом (d/n, ?: 4.068, 2.462, 2.862). При повышении температуры обжига наблюдается рост отражений характерных для диопсида (d/n, ?:3.23,3.00,2.89) и псевдоволластонита (d/n, ?:3.24, 2.81, 2.45). В составах на заполнителе из доменного гранулированного шлака основными минеральными фазами являются мелилит (d/n, ?: 2.862, 3.089, 2.04), кварц, кристобалит, волластонит (d/n, ?: 2.978, 3.842).

Выводы:

-установлены закономерности фазообразования в структурах термически обработанных жаростойких материалов на основе металлургических шлаков, которые позволяют делать обоснованный выбор сырьевых материалов и прогнозировать свойства конечного продукта;

-механоактивация и ввод в состав вяжущего кремнеземистого компонента улучшают эксплуатационные характеристики жаростойких композитов;

-разработаны составы и технология жаростойких безобжиговых композиционных материалов с рабочей температурой 1000…1200^оС.

Список литературы

1. Гончаров Ю.И., Иванов А.С., Гончарова М.Ю., Евтушенко Е.И. Особенности фазовой и структурной неравновесности металлургических шлаков // Изв. вузов. Строительство. - 2002. - №4. - С.50 - 53.

2. Гончаров Ю.И., Иванов А.С., Малькова М.Ю. Исследование процессов спекания металлургических шлаков // Изв. вузов. Строительство. - 2003. - №7. - С.51 - 55.

3. Малькова М.Ю., Бельмаз Н.С., Брагина Т.И. Разработка жаростойких безобжиговых изделий на основе недефицитного сырья // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2005. - №10. - С.180 - 183.

4. Огнеупорные бетоны: справочник / Замятин С.Р., Пургин А.К., Хорошавин Л.Б. и др.- М.: Металлургия, 1982. - 192с.

Размещено на Allbest.ru