книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии

5.40. Рожков Е. В., Ливийский Ю. Е., Ногинский М. 3, и др. Производство и служба высоко­ глиноземистыхкерамобетонов. 2. Свойства и служба виброналивныхжелобных масс наоснове модифицированных ВКВС боксита// Огнеупоры итехническая керамика. 2001. № 5. С. 37-44. 5.41. Ливийский Ю, Е, Керамобетоны— заключительный этап эволюции низкоцементных ог­ неупорных бетонов // Новые огнеупоры. 2002. № 1. С. 96-101.

5.42. Гриитуп Е, М Л ивийский Ю, Е. ВКВС и керамобетоны — прорыв в технологии огне­ упоров XXI века // Новые огнеупоры. 2002. № 2.

5.43.Уши А С. МёЬ циаН^у СЫпезеЪаихйе// Ашег. Сегаш. Зое. Ви11.1994. V. 73. № 6. Р. 57-59.

5.44.Яи55е1А. ВаихКе т Ъо1Ьег// 1пс1из(па1 ттега1з. 1999. № 378.

5.45.Добродон Д. АЛ ивийский Ю. Е, Получение и свойства вяжущих высокоглиноземистых

суспензий. 1. ВКВСнаосновебоксита//Огнеупорыитехническая керамика. 2000. № 6. С. 21-26. 5.46. Ливийский Ю. Е,,ДобродонД. А. Получение исвойства вяжущихвысокоглиноземистых суспензий в системе бокситкварцевое стекло// Новые огнеупоры. 2002. № 5. С. 18-26.

5.47. Ливийский Ю. Е. Новые огнеупорные бетоныи вяжущие системы—основополагающее направление вразработке, производстве и применении огнеупоров в XXI веке. Часть III. Шпинельные и литые (саморастекающиеся) бетоны // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. №4. С. 12-18.

5.48. Аксельрод Л. М. Огнеупорные бетоны нового поколения в производстве чугуна истали // Огнеупоры и техническая керамика. 1999. № 8. С. 35-42.

5.49. Хорошавин А. БПерепелицын В. А К ононов В. А. Магнезиальные огнеупоры. Спра­ вочник. — М.: Интермет Инжиниринг, 2001. — 575 с.

5.50. Аксельрод Л, М., Ливийский Ю. Е. Огнеупорная промышленность Китая на подъеме // Огнеупоры и техническая керамика. 2001. № 10. С. 44-49.

5.51. Ливийский Ю. Е. Высококонцентрированные вяжущие суспензии. Дисперсионный со­ став и пористость отливки // Огнеупоры. 1989. № 4. С. 17-23.

5.52. Ливийский Ю, Е. Огнеупорные бетоны нового поколения. Зерновой состав и объемные характеристики // Огнеупоры. 1992. № 11-12. С. 22-27.

5.53. ОНЪа У. Рагбс1е 312е 015(пЬи(юп оГ Оепзе Саз1аЫе КеГгас1опез апс! ЗраШп^ К.ез1з1апсе // ТаПсаЬШзи КеГгасЮпез. 1988. V. 40. N 3. Р. 181-183.

5.54.ЕцисМ Т., Так'Иа У., Уозк'Иот1У.е(а1 Ьо\у-Сетеп1-Вопс1е(1Саз1аЫе. КеГгасЮпез//ТаПсаЫДзи Оуегзеаз. 1989. V. 9. N 1. Р. 10-25.

5.55. Коезе1 В, Е,, Масгига /., КохНепЪиМег Р. Т. Са1сшт А1итта1е Сетеп1з Гог Н^Ь 51геп21Ь КеГгас1огу МопоШЬз // 1п*егсегат.1982. N 5. Р. 519-523.

5.56ДорогановЕ. А. РеотехнологическиесвойстваВКВСсмешанногосостава//Автореф. канд. техн. наук. — Белгород, 2001. — 16 с.

Глава 6.

ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ И УПЛОТНЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ОГНЕУПОРНЫХ БЕТОНОВ

Процессы формования (уплотнения) являются наиболее важными технологически­ ми переделами при изготовлении как монолитных футеровок, так и бетонных изделий [6.1-6.3]. В зависимости от назначения, характеристики исходных материалов и вя­ жущих систем, вида монолитной футеровки или бетонных изделий могут применять­ ся самые разнообразные методы формования (уплотнения):

•литье из литых (саморастекающихся) бетонных масс (в форму или опалубку);

•вибрационное литье;

•литье (в опалубку или форму) с последующим глубинным или поверхностным вибрированием;

•вибропрессование;

•вибротрамбование (набивка);

•статическое прессование;

•торкретирование.

6.1. Процессы формования из литых огнеупорных бетонов

6.1.1. Общая характеристика и классификация

В области производства и применения НЦОБ и СНЦОБ за рубежом все большее распространение получают так называемые саморастекающиеся (литые) бетоны (зе1Шо\ут§ саз1аЫез, зе1Ъз1Шезеп(1е Маззеп). Часто их называют и бетонами, перека­ чиваемыми насосами (ритЬаЫе саз^аЫез). Отмеченное обстоятельство обусловлено тем фактом, что литые (саморастекающиеся) бетоны имеют ряд преимуществ перед традиционными виброуплотняемыми огнеупорными бетонами [6.3-6.18]. К недостат­ кам последних относится необходимость их вибровозбуждения для достижения ак­ тивного течения и хорошего заполнения бетонируемого объема или формы (виброуп­ лотнение). Качество бетона при этом в значительной степени зависит от качества виб­ роуплотнения, определяемого, кроме прочего, аппаратурным оформлением процесса. Существенной для вибробетонов является проблема воздухоудаления. Кроме того, в целом ряде мест применения огнеупорных бетонов их виброуплотнение оказывается невозможным.

Этими обстоятельствами и обусловлена разработка в последние годы низкоцемент­ ных безвибрационных (литых или саморастекающихся) огнеупорных бетонов. Само­ растекающиеся бетоны обладают достаточной текучестью под собственным весом при влажности 5-8 %, и в ряде случаев свойства этих бетонов сопоставимы или превосхо­ дят таковые для виброуплотняемых бетонов аналогичного состава.

Разработка и применение этого класса бетонов относятся к 1990 г. [6.3]. Согласно обобщающим данным, рассмотренным в нашем аналитическом обзоре [6.1], еще в 1986-1988 гг. свойства низкоцементных наливных (литых) бетонов существенно ус­ тупали виброуплотняемым. Например, при изучении низкоцементных бетонов корун-

домуллитового состава (82-86 % А120 3) было установлено, что применение вибрации по сравнению с безвибрационным методом позволяет уменьшить влажность смеси с 7-8 до 5-6 %. Это способствовало снижению пористости бетона с 18-23 до 14-20 % и повышению ст^ с 30-40 до 40-90 МПа. В настоящее же время разработаны и широко применяются литые НЦОБ и СНЦОБ, которые по своим свойствам не уступают ана­ логичным вибробетонам.

Согласно данным проспекта фирмы “РНЬпсо” [6.10], преимущества саморастекающихся НЦОБ и СНЦОБ по сравнению с вибробетонами определяются несколькими факторами: меньшими энергозатратами за счет исключения виброуплотнения, мень­ шей стоимостью опалубки (формы), лучшими условиями труда (социально-экономи­ ческий фактор).

Сущность формования методом литья (без применения вибрации) заключается в том, что литая или подвижная (бетонная) смесь заливается в форму (или в опалубку), в которой под действием силы тяжести она равномерно распределяется по объему. После затвердевания (формования) и приобретения материалом необходимой проч­ ности изделие извлекается из формы (или осуществляется распалубка монолитной футеровки) и подвергается дальнейшей обработке.

В работе [6.6] предложена классификация способов получения литых (саморастекающихся) керамобетонов. Известны 4 способа получения литых огнеупорных бетонов и керамобетонов. Первый из них, детально изученный в [6.22], предусматривает час­ тичное обезвоживание формовочной смеси за счет пористой формы, подложки или заполнителя. Такой вариант можно реализовать при выполнении монолитной футе­ ровки в некоторых узлах или агрегатах (например, в желобах доменных печей или сталеразливочных ковшах), в которых имеется арматурная (пористая) футеровка. Ее особый структурообразующий эффект может быть реализован при несколько повы­ шенной (до 30-50 °С) температуре. Примером эффеетивного применения частичного обезвоживания формовочной смеси является широко известный способ формования днища сталеразливочных стаканов, цилиндрическую часть которых формуют центро­ бежным методом [9.19].

Второй способ предусматривает формование в неактивной (беспористой) форме или в опалубке. В отличие от первого метода, при котором допускается небольшой (0,5-1 %) избыток влажности во втором способе формовочные смеси должны быть предельно концентрированны. Избыток жидкости приводит как к росту пористости бетона, так и к возможному седиментационному расслоению смеси.

Центробежный метод формования из литых смесей ф пт заполнителя 5 мм) впер­ вые описан в статье [6.5] на примере муллитокорундовых керамобетонов. По сравне­ нию с методами вибролитья и вибропрессования способом центробежного литья были получены керамобетоны с наименьшей пористостью [6.5, с. 19-20].

Особой разновидностью получения литых огнеупорных бетонов и керамобетонов является технология, основанная на применении раздельнойукладки заполнителя (же­ сткофиксированный каркас заполнителя) с последующим введением вяжущей систе­ мы (ВКВС в случае керамобетонов). Эта технология сначала была предложена и изу­ чена применительно к керамобетонам [6.1-6.5, 6.19-6.24], а в последующем — и к низкоцементным огнеупорным бетонам [6.25-6.28]. За рубежом этот метод получил наименование ‘ЧпГйСазГ (литье инфильтрацией заполнителя).

В зависимости от вида рассмотренных вариантов литья механизм структурообразования может существенно различаться.

Независимо от вида пористой подложки и типа бетонной смеси физическая сущ­ ность структурообразования керамобетонов, формуемых первым способом, состоит в частичном обезвоживании бетонной смеси до состояния, соответствующего крити­ ческой концентрации твердого вещества наполненной системы. Движущей силой про­ цесса является эффективное давление пористой подложки, определяемое ее капил­ лярным давлением Р и активной пористостью Яф [6.6].

Второй способ литья керамобетонов отличается от первого тем, что в процессе под­ готовки исходной формовочной смеси достигается ее предельное концентрирование. При этом создаются условия, когда значения объемной доли наполненной системы Сг [6.6] приближаются или становятся равными Сг В зависимости от состава бетонной смеси, ее исходных реологических свойств при формовании в неактивных (металли­ ческих) формах структурообразование может достигаться различными механизмами.

В частности, затвердевание может происходить на первой стадии тиксотропным загустеванием, на последующих — химическим связыванием или частичным удалением жидкости (незначительная подсушка до влажности не более 0,1-0,3 %). В некоторых случаях в исходные системы могут вводиться структурообразующие добавки, ускоря­ ющие процесс формования. Весьма эффективными с точки зрения первичного струк­ турообразования могут быть небольшие (до 0,5 %) добавки ВГЦ [6.3,6.7]. Например, в работе [6.7] на основе ВКВС кварцевого песка, модифицированных добавками высокоппиноземистого цемента (ВГЦ), и полидисперсных кремнеземистых заполните­ лей получены саморастекающиеся литые керамобетоны пористостью 16-18 %, пре­ делом прочности при сжатии после термообработки при 1000 °С 20-50 МПа, 1300 °С 60-110 МПа. Небольшая добавка ВГЦ (0,35-0,45 %) приводит к ускорению процесса твердения и некоторому (на 1-2 %) росту пористости по сравнению с керамобетонами без такой добавки. Увеличение содержания добавки ВГЦ до 1-3 % приводит к резко­ му росту пористости и уменьшению прочности керамобетона.

Независимо от вида рассмотренных способов получения литых огнеупорных бето­ нов или керамобетонов необходимыми условиями для достижения их высокой плот­ ности являются предельно возможное разжижение ВКВС и бетонных смесей на их основе, а также подбор их оптимального зернового состава. Это необходимо для того, чтобы в условиях предельной концентрации одновременно обеспечить и полную седиментационную устойчивость (нерасслаиваемость), и хорошую текучесть формо­ вочных систем. В случае литых НЦОБ или СНЦОБ их твердение осуществляется по гидратационному механизму.

Бетоны или керамобетоны, полученные по первым трем методам, согласно класси­ фикации, рассмотренной в гл. 2 (рис. 2.15), относятся к бетонам с плавающим карка­ сом заполнителя, и характеризуются наличием прослойки вяжущего между зернами заполнителя. Для оценки консистенции бетонной смеси и ее технологических свойств, т.е. свойств, определяющих способность заполнять данную форму и уплотняться в процессе укладки, предложено много способов. Как и для строительных бетонов, тех­ нологические свойства литых огнеупорных бетонов можно оценивать показателем подвижности. Подвижность, т.е. способность смеси растекаться под действием соб­ ственной массы оценивали методикой растекания конуса [6.9].

Как это показано в работе [6.9], для определения основной характеристики литых бетонов — ее растекаемости — использовали усеченный конус, открытый с обеих сторон. Высота конуса 40 мм, диаметр нижнего основания 70 и верхнего 60 мм. Фор­ му-конус заполняли в 2 приема, уплотняя смесь штыкованием. После заполнения фор­ мы и удаления излишков массы конус поднимали строго вертикально. Для предотвра­ щения налипания смеси к стенкам конуса перед каждым экспериментом форму и по­ верхность столика для растекания протирали влажной ветошью. Мерой подвижности смеси служила величина (площадь) растекания смеси. Диаметр растекания измеряли через 15 с после поднятия формы-конуса, затем рассчитывали его площадь. Растекаемость огнеупорных бетонов под действием собственной массы, как и строительных, зависит от соответствующей величины вязкости, предела текучести и неньютоновс­ ких свойств матрицы. Для вычисления растекаемости Р смеси пользовались форму­ лой

4

При помощи стандартного конуса можно определить предельное напряжение сдви­ га Рк[6.29] по формуле

где у — объемная масса бетонной смеси, кг/м3; V— объем конуса, м3; Р — площадь основания конуса после его растекания, м2.

6.1.2. Реологические и технологические особенности

В гл. 4 были рассмотрены основные закономерности изменения реологических свойств суспензий в зависимости от объемного содержания в них зернистого запол­ нителя (Су). Последние определяются как свойствами исходной суспензии, СКз, а так­ же характеристикой заполнителя (размер частиц). Ниже на примере саморастекающихся (литых) керамобетонов в системе ВКВС муллитового состава - заполнитель на основе ЗЮ (И = 1 мм) рассмотрены основные характеристики формовочных систем [6.9]. "

На рис. 6.1 для формовочной системы указанного состава проанализировано влия­

тельны (50-80 Па). Существенный рост Рк, определяющего растекаемость, наблюда­ ется при дальнейшем росте СКз, что ведет к пропорциональному уменьшению расте­ каемости (кривая 2). Если при значении = 0,25 растекаемость достигает 155 %, то при СУз = 0,40 понижается до 55 %. Показатели пористости до значения СУз = 0,35 уменьшаются пропорционально концентрации заполнителя (кривая 4). При дальней-

Рис. 6.1. Влияние СУлмуллитокарбидкремниевых формовочных систем на предельное напряжение сдвига Рл (7), растекаемость под действием собственной массы Р (2), влажность смесей \У (3) и пористость полученных образцов после сушки Лотх (4)

шем росте наблюдается даже некоторый рост пористости, что обусловлено резким ростом вязкости системы и захватом воздуха.

Степень наполнения формовочных систем для получения литых бетонов огнеупор­ ным заполнителем может колебаться в значительных пределах — СУгможет колебать­ ся от 35-40 % до 65-70 %. Величина СИз при этом определяется полидисперсностью и упаковочными характеристиками заполнителя, в особенности значением его вяз­ костью матричной (вяжущей) системы.

Формовочные системы для литых огнеупорных бетонов по своим реотехнологическим свойствам существенно отличаются от таковых для виброналивных бетонов [6.1- 6.3]. Например, если исходные (после смешения) системы для вибрационного формо­ вания находятся в рыхлом вязкосыпучем состоянии и при виброуплотнении или виб­ ропрессовании уменьшаются в объеме в 1,5-2 раза [6.1], то литые бетоны уже в про­ цессе их подготовки должны быть предельно “уплотнены”, так как весь объем воды и возможных воздушных включений, находящихся в этих смесях, переходит в поры формующегося бетона. Поэтому в первом случае желательна высокая тиксотропия исходных систем, а во втором она может затруднять заполнение формуемого объема. Этим бетонным смесям часто присуще явление дилатансии — увеличения вязкости при повышении напряжения или скорости сдвига. Как показано в гл. 4, проявление этой аномалии вязкости присуще предельно концентрированным и стабилизирован­ ным дисперсным системам [6.1-6.3,6.30]. С учетом того, что пористость литых бето­ нов в термообработанном (дегидратированном) состоянии составляет 20-22 % [6.10- 6.11], то значение их Сув исходных бетонных смесях должно быть не ниже 0,78-0,80.

Ввиду того, что влажность бетонной смеси является относительным, а не абсолют­ ным показателем, как то влажность при равной объемной концентрации определя­ ется усредненной плотностью их твердой фазы, что следует из рис. 6.2.

Влажность бетонной смеси при прочих равных условиях (зерновой состав, поли­ дисперсность и т.д.) определяется водопотребностью, а также реологическими свой­ ствами матричной (вяжущей) фазы в бетонной смеси. Принципиальное отличие низ­ коцементных бетонов от керамобетонов на основе ВКВС I и II групп состоит в том, что они всегда будут характеризоваться тиксотропными свойствами ввиду химичес-

На рис. 6.3, построенном по данным работы [6.71], представлена область оптималь­ ных зерновых составов корундошпинелидных литых бетонов, применяемых для фу­ теровки днища сталеразливочных ковшей. Можно отметить достаточно высокое (3540 %) содержание фракции менее 45 мкм.

В целом ряде работ [6.1,6.10-6.15] отмечается, что по сравнению с виброуплотняемыми низкоцементными бетонами литые характеризуются более однородной струк­ турой, а также гораздо более простым и быстрым изготовлением футеровок. Поэтому они получили широкое распространение при изготовлении крышек и арматурного слоя сталеразливочных и промежуточных ковшей, а также начинают применяться для фу­ теровки их днища и боковых стен. Важным преимуществом этих бетонов является возможность их перекачки на большие расстояние и высоту. Это дает возможность осуществлять изготовление монолитных футеровок на большой высоте (например, в доменных печах).

Одно из преимуществ литых бетонов состоит в том, что при футеровке сталеразли­ вочного ковша, например, отпадает необходимость в удалении изношенной футеров­ ки. После небольшой очистки поверхности этот бетон наносится на старый материал в соответствии с концепцией “непрерывной футеровки”.

Важным преимуществом литых бетонов является возможность проведения при их помощи уникальных аварийных ремонтов тепловых агрегатов и продление, таким образом, их межремонтного периода.

В результате тщательного подбора составов и регулирования свойств бетонных сме­ сей в последние годы созданы литые низкоцементные бетоны, которые по своим свой­ ствам не уступают таковым для аналогичных виброналивных бетонов. Последнее под­ тверждается данными по [6.16, с. 136], представленными в табл. 6.1.

Сопоставимы также показатели усадки при сушке (0,03 %) и обжига при 1400 °С (0,1- 0,2 %) проанализированных в табл. 6.1 низкоцементных бетонов.

Т а б л и ц а 6.1

Типичные свойства НЦОБ и саморастекающихся огнеупорных бетонов (СРОБ) сопоставимых составов

6.1.3. Влияние и взаимосвязь основных технологических параметров

Результаты систематических исследований процессов формования литых (саморастекающихся) керамобетонов опубликованы в работах [6.6-6.9]. При этом изучены ли­ тые кремнеземистые керамобетоны [6.6], они же с введением структурирующих доба­ вок ВГЦ [6.7], а также карбидкремнийсодержащих керамобетонов [6.8, 6.9].

Кремнеземистые керамобетоны. В работах [6.6, 6.7] была поставлена задача по­ лучения литых кремнеземистых керамобетонов, формуемых в неактивные (металли­ ческие) формы. В качестве исходного материала для ВКВС применяли кварцевый пе­ сок Зиборовского месторождения, содержащий 96,8 % 8Ю2, 0,5 % А120 3, 0,38 % СаО, 0,9 % Ре20 3, 0,98 % Ш20 + 1^0, Д тпрк 0,4 %. На основе кварцевого песка с использо­ ванием принципа постадийной загрузки [6.6] была получена ВКВС с зерновым соста­ вом, показанным кривой 1 на рис. 6.4.

Характеристика ВКВС: Су= 0,69; рН = 9,2, влажность 14,5 %. Для получения фор­ мовочных систем применяли как мелкозернистый заполнитель ( Р ^ = 1 мм) из смеси кварцевых песков (см. рис. 6.4, кривая 2), так и среднезернистый заполнитель ( / ^ = = 3 мм) на основе первоуральского кварцита (см. рис. 6.4, кривая 3). Заполнители ха­ рактеризовались коэффициентом упаковки в насыпном состоянии 0,61 и 0,57 соответ­ ственно.

На основе ВКВС и указанных заполнителей методом смешения готовили формо­ вочные смеси, содержащие 35-45 % вяжущего (по сухой массе). Области 4,5 зерново­ го состава изученных формовочных систем показаны на рис. 6.4.

В проведенных исследованиях варьировали состав исходных формовочных (литей­ ных) систем. При этом массовую долю вяжущей суспензии (по сухому веществу) при­ нимали равной 35-45 % зернистого заполнителя 65-55 %. С учетом того, что воду в литейную систему вводили только вместе с ВКВС (заполнитель вводили сухим), влаж­ ность литейных систем, как это следует из рис. 6.5 (прямая 7), изменялась в пределах 5,1-6,6 %.

Объемная доля заполнителя СКз в зависимости от состава масс изменялась в преде­ лах 45-56 %, матричной (вяжущей) системы — в пределах 44-55 % (прямые 2, 3 рис. 6.5).

Л % Л %

Рис. 6.4. Интегральные кривые (а) и области (б) зернового распределения ВКВС кварцевого песка (У), мелкозернистого (2) и среднезернистого (2) заполнителя, мелкозернистой (4) и среднезернистой

(5) литейной системы

Ниже приведены результаты исследований влияния массовой доли вяжущего в сме­ си тяна открытую пористость Пт и предел прочности при сжатии образцов керамобетонов, термообработанных при различных температурах. Из рис. 6.6 следует, что у формовочных систем с применением тонкозернистого заполнителя показатели исходного керамобетона (рис. 6.6, а, кривая 1) колеблются в незначительных пределах (16,0-16,8%).

После термообработки при 1200 °С (см. рис. 6.6, а, кривая 2) разница в показателях

Из литых формовочных систем со среднезернистым заполнителем получены образ­ цы керамобетона с меньшей исходной пористостью, равной 14,0-14,8 % (рис. 6.6, в,

Рис. 6.6. Влияние тяна Пт (а, в) и осж (б, г) образцов литых мелкозернистых (а, б) и среднезернис­ тых (в, г) керамобетонов, термообработанных при различной температуре, °С: I — 100; 2 — 1200; 3

— 1300