СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА РЕМОНТА ФУТЕРОВОК ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ

Полный текст

В настоящее время поставки сырья: огнеупорной глины, каолина из-за рубежа, в частности с Украины, практически приостановлены. Для повышения долговечности шамотных футеровок были исследованы составы защитных обмазок, представляющие собой жаростойкие растворы на фосфатных связующих [1-4]. В процессе нанесения фосфатного раствора-обмазки на футеровку теплового агрегата, выполненную из штучных шамотных огнеупоров, происходит активная пропитка поверхности кирпича за счет капиллярного подсоса. Пропитке подвергается также огнеупорный заполнитель, в частности шамотный песок, присутствующий в фосфатном растворе-обмазке. Было изучено влияние пропитки шамотных огнеупоров плотной и пористой структуры ортофосфорной кислотой. Образцы, выпиленные из шамотного кирпича типа ША (ГОСТ 390) и пеношамота ШЛБ-06 с маркой по плотности 600, пропитывали ортофосфорной кислотой 70 %-й концентрации в естественных условиях в течение 24 часов. После этого образцы подвергались нагреву при температурах 200-1500 °С в течение двух часов. Испытания показали, что пропитка плотных и пористых шамотных материалов Н3РО4 положительно влияет на их термомеханические свойства. Прочность при сжатии плотного и пористого шамота возрастает в 1,2-2 раза, а плотность увеличивается на 1-1,5 %. Таким образом, ремонт футеровки возможно осуществлять в виде её обработки ортофосфорной кислотой, вызывая пропитку поверхности, или путем нанесения слоя обмазки в виде фосфатного раствора на кирпичную кладку. Были исследованы структурно-фазовые превращения шамотного огнеупора при обжиге, пропитанного ортофосфорной 55 Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) А.И. Хлыстов, С.В. Соколова, В.А. Широков кислотой. Петрографический анализ микроструктуры образцов, пропитанных 70 %-й ортофосфорной кислотой и подвергнутых термообработке при температуре 1500 °С, показал рост кристаллической составляющей: муллита, кварца и кристобафита (рис. 1). Данная технология повышения физикотермических показателей керамических огнеупоров составила основу структурно-химической модификации штучных огнеупоров [5-8]. Термическое расширение является основной причиной разрушения огнеупорных футеровочных материалов. С целью сближения коэффициентов термического расширения (КТР) шамотной кладки с фосфатной обмазкой, предлагается предварительная обильная пропитка ортофосфорной кислотой ремонтируемой поверхности. Шамотная основа в результате пропитки после термообработки снижает свой КТР, который становится сравним с КТР шамотного фосфатного раствора-обмазки. Как показывают дилатометрические исследования, проведенные в ЗАО «НИИ Керамзит», коэффициенты термического расширения шамота, пропитанного Н3РО4, шамотного фосфатного раствора-обмазки, находятся в пределах (7,57-8,63)·10-6 град-1 при температурах 500-900 °С [5]. С целью определения физико-термических показателей образцы из растворов-обмазок испытывали на прочность при сжатии после нагрева. Также у данных составов растворов определялись адгезионные качества по методике [5], температуры деформации под нагрузкой и термическая стойкость. Тонкомолотым огнеупорным наполнителем в составах растворов-обмазок являлись алюмохромистый отход - отработанный катализатор нефтехимии ИМ-2201; шамотный мертель МШ-36. В качестве заполнителя использовался шамотный песок, а роль затворителя выполняла ортофосфорная кислота 70 %-й концентрации. Пределы прочности при сжатии образцов-обмазок находились на уровне 25-40 МПа после обжига во всем интервале температур вплоть до 1300 °С. Адгезионные свойства растворов по отношению к шамотному огнеупору оценивали по методике [5], определяя предел прочности при отрыве. Некоторые данные, характеризующие адгезионные свойства растворов-обмазок, представлены на рис. 2. Для сравнения на рис. 2 представлена также кривая изменения адгезионных свойств традиционного шамотно-глинистого раствора состава: шамотный песок - 55 %; огнеупорная глина - 15 %; вода - 30 %. По прочности сцепления фосфатные Рис. 1. Микроструктура шамота, обожженного при температуре 1500 °С: 01;02 - сухой шамот; 03;04 - пропитанный 70 %-й Н3РО4 и подвергнутый обжигу Рис. 2. Зависимость прочности сцепления растворов-обмазок с шамотной основой футеровок: 1- состав №1 (алюмохромистый отход); 2 - состав №2 (шамотный мертель); 3 - состав №3 (алюмохромистый отход + шамотный мертель); 4 - шамотно-глинистый раствор Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) 56 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ растворы-обмазки даже при большей толщине склеивания превосходят шамотно-глинистый раствор. Это объясняется тем, что ортофосфорная кислота, впитываясь в поверхностные слои шамотного огнеупора, изменяет его фазовый состав в сторону сближения с составом раствора-обмазки. Коэффициенты термического расширения раствора-обмазки и огнеупорной основы (шамота) практически становятся близкими [9, 10]. Термостойкость фосфатных растворов-обмазок высокая. Таким образом, применение данного способа ремонта футеровок с использованием структурнохимической модификации керамических огнеупоров показало, что формируется рабочий защитный слой на базе затвердевшего фосфатного раствораобмазки, обладающий высокой адгезией к ремонтируемой поверхности [10]. Также в ремонтных технологиях футеровок используются огнеупорные набивные массы, содержащие корундовый песок, каолин, алюмохромистый отход. После уплотнения, твердения и высушивания ремонтного слоя из огнеупорных набивных масс производится его обработка жаростойким пропиточнообмазочным составом (обмазкой) или просто раствором ортофосфорной кислоты. Прочностные показатели образцов набивных масс достигали 30-50 МПа после обжига при температуре 1400 °С. У составов огнеупорных набивных масс кроме прочностных характеристик на сжатие были определены: адгезионные показатели к шамотному огнеупору; прочностные показатели на отрыв системы «огнеупорная шамотная футеровка - набивная масса». Они свидетельствуют о высокой адгезии разработанных составов огнеупорных набивных масс фосфатного твердения к штучным огнеупорам. Применение фосфатных связующих в составах огнеупорных набивных масс позволяет их использовать и для ремонта футеровок промышленных печей с агрессивными средами [3, 4-7]. Термостойкость набивных масс составила 30-35 водных теплосмен. Далее совершенствование способа ремонта футеровок проводилось непосредственно с корректировкой составов жаростойких растворов. В настоящее время значительно увеличилась область применения пластичных растворных композиций с расширяющимся эффектом при ремонте не только различных зданий и сооружений, но и спецсооружений, в том числе футеровок тепловых агрегатов. В результате этого эффекта адгезия ремонтных масс к поверхностям, на которые они наносятся, достигает значительных величин, что положительно сказывается на долговечности реставрационного участка [11]. Получение жаростойких композиций с расширяющимся эффектом имеет большое значение, так как их применение в технологиях ремонта футеровок тепловых агрегатов значительно увеличит их долговечность. Жаростойкие композиции на жидком стекле являются весьма эффективными, широкое распространение которых определяется, прежде всего, высокими прочностью и термической стойкостью, а также простотой технологии [2, 12]. Расширяющийся эффект в композициях на жидком стекле возможно получить путем введения в их составы добавок тонкодисперсного металлического алюминия различного химического состава [11-13]. Рост объема продуктов реакции и небольшое выделение водорода при взаимодействии металлического алюминия с щелочным силикатом в процессе твердения и нагревания с химической точки зрения можно объяснить следующим образом [11-13]. Щелочные силикаты могут реагировать с металлами и металлоидами. Эту способность обусловливает присутствие в водном растворе (жидком стекле) гидролитически расщепленной едкой щелочи. Гидролиз натриевого жидкого стекла происходит по уравнению Na2O·nSiO2+mH2O → → 2NaOH+nSiO2·(n-1)H2О (1) Образовавшаяся щелочь реагирует с алюминием и другими металлами, а также с порошком элементарного кремния по уравнениям: 2Al+2NaOH+6H2O → → 3H2 ↑+2Na[Al(OH)4] (2) 3(Na2O·SiO2)+2Al+3H2O → → 2Al(ONa)3+3SiO2+3H2↑ (3) Si+2NaOH+H2O → NaO·SiO2+2H2 ↑ (4) Таким образом, в первый момент контакта жидкого стекла с алюминийсодержащим компонентом начинается процесс его растворения в едкой щелочи по реакциям (2) и (3). При этом положительно заряженные ионы Al3+ вызывают концентрацию отрицательно заряженных коллоидных частиц SiO4 4-. Метастабильный кремнезем превращается в устойчивый кремнегель, выделяющийся в виде защитной пленки на поверхности металлического алюминия. Действие щелочи замедляется и в дальнейшем полностью прекращается. Введение в состав жаростойких композиций алюминия в виде тонкодисперсной добавки, в качестве которой можно использовать отработанные алюминиевые отходы, образующиеся при обработке сплавов МГ, АМГ и др., позволяет получить увеличение объема ремонтных масс [13]. В настоящей работе опробованы следующие алюминиевые отходы Самарского металлургического завода: отработанная дробь с установки Гутмана цеха №2, алюминиевые опилки того же цеха, пыль из циклона цеха №1. 57 Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) А.И. Хлыстов, С.В. Соколова, В.А. Широков С целью выбора вида алюминиевого отхода, в наибольшей степени снижающего усадку, были приготовлены составы раствора на жидком стекле без добавки и с перечисленными добавками алюминия в количестве 1,5-2,5 %. Предварительно алюминиевые опилки рассеивали через сито с отверстием 1 мм и в дальнейшем использовали фракцию размером 0,14-1 мм. Составы растворов на жидком стекле с различными расходами алюминиевых опилок включали в себя также тонкомолотый магнезит как огнеупорную добавку и мелкий заполнитель в виде шамотного песка. Введение алюминиевых отходов в составы растворов на жидком стекле положительно влияет на их прочность при температурах 800-1200 °С, повышает термическую стойкость и снижает огневую усадку. Наилучшие результаты по совокупности этих свойств достигнуты для состава, в который была введена алюминиевая дробь с установки Гутмана цеха №2. На термическую стойкость образцов влияет химический состав обрабатываемого алюминиевого сплава, а также количество добавки. Оптимальным принято содержание алюминиевой дроби в количестве 2-2,5 % сплава АГМ. При этом относительная термостойкость возрастает с 0,70 до 0,9 по методике С.Ю. Гобериса [14]. Таким образом, для ремонта футеровки тепловых агрегатов рекомендуется следующий состав, масс %: жидкое стекло ρ = 1,36 г/см3 - 15,0 %; Na2SiF6 - 1,2 %; шамот фракции 0-5 мм - 55 %; тонкомолотый магнезит - 28,0 %; алюминиевые опилки - 2-2,5 %. Максимальная прочность раствора достигает 38-39 МПа после обжига при температуре 1200 °С. После трехсуточного твердения ремонтных участков футеровок тепловых агрегатов рекомендуется провести сушку всей футеровки при температуре 100-120 °С. С целью усовершенствования технологического процесса структурно-химической модификации штучных керамических огнеупоров, а также некоторых жаростойких бетонов, ортофосфорная кислота была заменена водорастворимой алюмофосфатной и алюмокальцийфосфатной связками. Известно, что жидкие алюмофосфатные связки типа Al(H2PO4)3 и Al2(HPO4)3 в процессе нагревания обезвоживаются, кристаллизуются и превращаются в стабильный минерал кристобафит AlPO4 [15-20]. Схема химических превращений жидких алюмофосфатных связок в кристаллический AlPO4 представлена реакцией: Alm(HnPO4)p → 175-200 °С аморфная фаза → 400-500 °С Al(PO3)3 +P2O5↑ →500-900 °С AlPO4+P2O5↑ (5) Таким образом, для структурно-химической модификации штучных шамотных огнеупоров и жаростойких композитов (растворы и бетоны) избран более эффективный способ образования в порах AlPO4. После сушки ремонтного слоя футеровки рекомендуется с целью повышения ее долговечности провести обработку (пропитку) поверхности всей футеровки жидкими алюмофосфатной или алюмокальцийфосфатной связками. Эти связки синтезируются с помощью ортофосфорной кислоты с применением такого нанотехногенного сырья, как высокоглиноземистый шлам щелочного травления алюминия и алюмокальциевый шлам с очистных сооружений. Данное нанотехногенное сырье образуется на Самарском металлургическом заводе в большом количестве [13].

Об авторах

Алексей Иванович ХЛЫСТОВ

Самарский государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Светлана Владимировна СОКОЛОВА

Самарский государственный университет путей сообщения

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Владимир Александрович ШИРОКОВ

Самарский государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Список литературы

Дополнительные файлы