книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии
.pdfС точки зрения прогноза и оценки потенциальной перспективы рассматриваемых технологий керамобетонов, для монолитных футеровок тепловых агрегатов необхо димо учитывать следующее. Как промышленная технология, так и практика заводско го применения этих огнеупоров являются еще совсем молодыми, и поэтому не дос тигли своего “потолка” ни в сфере производства, ни в сфере применения. В качестве примера проанализируем основные этапы разработки технологии и службы керамобетонных масс для монолитных футеровок желобов доменных печей [6.77].
Применительно к технологии керамобетонов этим направлением ПДЗ занимается только 4 года. На начальной стадии были разработаны и внедрены набивные массы [6.78], показавшие стойкость 70-90 тыс. т чугуна до первого ремонта футеровки же лоба и расход масс 0,53-0,63 (общий) и 0,25-0,35 кг/т чугуна (на стадии ремонта). Уже на стадии ремонта футеровки массы оказались более эффективными, чем анало гичные массы фирмы “РНЪпсо”, которые раньше производились на ПДЗ. В дальней шем были созданы как новый состав керамобетонов (оксидно-карбидный), так и но вая технология его виброукладки. Это позволило повысить стойкость футеровки же лоба (до первого ремонта) до 140 тыс. т и уменьшить общий расход масс до 0,35; на стадии ремонта до 0,11-0,15 кг/т чугуна. При этом стойкость футеровки желоба без капитального ремонта на 6-й домне НТМК составила более 900 тыс. т. В дальнейшем были доработаны как состав (оксидно-карбидноуглеродистый керамобетон), так и тех нология его применения.
Благодаря этому в 2001 г. на желобах НТМК достигнута стойкость 200-250 тыс. т чугуна до первого ремонта футеровки при уменьшении общего расхода масс до 0,20,
ана стадии ремонта до менее 0,1 кг/т чугуна.
Иуже в I квартале 2002 г. на одном из желобов 3-й доменной печи НТМК достигну та рекордная стойкость футеровки до первого ремонта— 305 тыс. т ванадиевого чугу на, на 6-й домне НТМК желоб без капитального ремонта работает после разливки более 1,5 млн. т чугуна. На конец 2002 г. срок эксплуатации этого желоба без капи тального ремонта превысил 3 года.
Несомненно то, что в дальнейшем область применения рассматриваемых виброналивных керамобетонных масс будет расширяться. В частности, последние успешно опробованы применительно к арматурным футеровкам промежуточных ковшей МНЛЗ,
атакже к наливным футеровкам вагонов туннельных печей.
6.3.2. Процессы вибропрессования
Недостатком рассмотренного способа вибролитья керамобетонов в металлических (неактивных) формах является достаточно продолжительный процесс струетурообразования, что определяет необходимость создания достаточно большого парка форм.
В связи с эти при дальнейшей разработке вибрационных методов формования кера мобетонов была поставлена задача [6.47] — вместо относительно подвижных формо вочных смесей вибролитейной консистенции перейти к применению жестких и сверх жестких (низковлажных) смесей, виброформование которых осуществлялось бы в ме таллических формах и обеспечило бы их немедленное извлечение или распалубку. Применительно к различным фасонным огнеупорам задача состоит в их формовании на вибрационных установках с применением низких удельных давлений. Дополни-
тельная задача заключается также в предельно возможном понижении содержания вяжущего в таких керамобетонах. Это требование обусловлено не только экономич ностью, но и тем фактом, что ряд свойств материалов при этом существенно улучша ется [6.47].
Основные исследования процесса вибропрессования проведены при разработке тех нологии различных видов кремнеземистых керамобетонов, в меньшей степени — высокоглиноземистых керамобетонов [6.75].
Вкачестве исходных материалов для ВКВС, применяемых при получении кремне земистых керамобетонов, применяли кварцевые пески, кварциты, кварц-полевошпа- товые пески. В качестве заполнителей применяли эти же материалы [6.47, 6.49].
Водной из первых работ по вибропрессованию керамобетонов [6.49] для получения ВКВС применяли кварц-полевошпатовый песок с содержанием, %: ЗЮ2 — 80,3; А120 3
—10,8; № 20 — 4,0; 1^0 — 2,5; СаО — 1,0; Ре20 3 — 0,9. Суспензию получали по технологии, описанной ранее [6.1], при конечном значении объемной концентрации
твердой фазы Су= 0,75. Зерновой состав ВКВС характеризовался кривой /, рис. 6.69.
Вкачестве вяжущего изучен и ряд других кремнеземистых ВКВС с существенно различными характеристиками.
Вкачестве заполнителей изучены близкие по химическому, но существенно разли чающиеся по зерновому составам пески, охарактеризованные кривыми 2 и 3 на рис. 6.69. Для сравнительной оценки на том же рисунке по данным литературы приве ден оптимальный состав песков [6.79], применяемых в качестве заполнителя для обыч ных строительных бетонов. Формовочные смеси с переменными параметрами (со держание вяжущего и заполнителя, влажность смеси) приготовляли в лабораторном бегунковом смесителе. Формование образцов (кубов с ребром 4 и 7 см) осуществляли
встальных формах на лабораторном вибростенде с оптимальной (экспериментально установленной) амплитудой.
При выборе режимов виброформования учитывали прежде всего реологические свойства исходных ВКВС, оказывающие существенное влияние и на технологичес кие свойства смеси. В частности, с учетом тиксотропно-дилатантного характера тече ния ВКВС, особенно на первой стадии формования, необходим выбор таких напряже ний (усилий), которые бы обеспечили течение (уплотнение) системы при минималь
ной ее вязкости |
(см. гл. 4). |
Л,%
Рис. 6.69. Интегральные кривые зернового распределения твердой фазы исходной ВКВС (У), тонко зернистого (2) и крупнозернистого песка (3) и оптимальная кривая песков для обычных строитель ных бетонов (4)
X
Рис. 6.70. Общий характер зависимости параметров процесса виброформования кремнеземистых керамобетонов от его продолжительности т: 1, Г — режим приложения нагрузки Р\2 — коэффици ент сжатия массы Ксж; 3 — пористость П\4 — прочность полуфабриката ст
Попытки виброформования при постоянном вибропригрузе, независимо от величи ны последнего, не позволили получить образцы с расчетной пористостью 14—16 % — она в ряде случаев составляла 20-25 %. В связи с этим были разработаны режимы, предусматривающие изменение уцельного давления и скорости нагружения в процес се формования. Как следует из рис. 6.70, режим приложения нагрузки Р может быть как непрерывным, так и ступенчатым (кривые 7 ,1*).
Нагрузка может прикладываться как вначале (при х^, так и после частичного уплот нения без приложения давления (до х,).
Интервал значений приложенной удельной нагрузки может достигать одного-двух порядков. Несмотря на это, максимальные значения Р для оптимальных режимов не превышают 0,02 МПа. Продолжительность процесса — не более 20-30 с.
Существенное влажностное разрыхление при получении формовочных смесей обус ловливает достаточно высокое значение коэффициента сжатия Ксж— отношение вы соты засыпки к таковой для полуфабриката. В зависимости от ряда параметров находился в пределах 1,8-2,5.
Наиболее резкое уплотнение системы наблюдается в первые секунды формования (кривая 2, рис. 6.70). Эквивалентно этому изменяются показатели пористости (кри вая 5). Прочностные же свойства свежеотформованного полуфабриката ( “сырая ” проч ность) в значительной степени определяются конечными стадиями процесса. Суще ственной характеристикой материалов, полученных по рассматриваемой технологии, является их прочность в свежесформованном состоянии, т.е. прочность, определяе мая непосредственно после: извлечения изделия из формы. В случае традиционных бетонов — принято аналогичное понятие ихмгновенной прочности [6.61]. Считается, что механизм мгновенной прочности связывается, главным образом, с силами внут реннего трения и молекулярного сцепления между собой отдельных частиц и почти не зависит от процессов гидратационного твердения. Это предположение основано на экспериментальных данных по прочности свежесформованных (вибрацией) смесей, в которых цемент был заменен равным по содержанию количеством молотого песка и глины, сопоставимой с цементом дисперсности. Значения предела прочности при сжатии свежеотформованного бетона в работе [6.61] составляли 0,15-0,22 Н/мм2. Близ кие значения прочности связаны с наличием тонкодисперсной составляющей, на по
верхности зерен которой образуется пленка воды, обусловливающая слипание час тиц. Толщина водной пленки 8ж определяется удельной поверхностью твердой фазы в единице объема и расходом воды, т.е. уменьшение 8жможет быть достигнуто или уве личением дисперсности материала, или снижением расхода воды. При эксперимен тальном изучении а ф кремнеземистых керамобетонов подтвердился рассмотренный механизм этой прочности. Максимальные значения исходной (формовочной) прочно сти при сжатии а ^ , достигающие 0,5-0,7 Н/мм2, были отмечены у образцов с незначи тельным (но оптимальным) содержанием вяжущего тв (16-22 %) в зависимости от зернового состава заполнителя.
Таким образом, показатели а ф керамобетонов в свежесформованном состоянии ока зались выше, чем у обычных строительных бетонов [6.1]. Это обусловлено более низ кими значениями межчастичного зазора Нкза счет создания оптимальной структуры керамобетона. Высокие значения “сырой” прочности полученных керамобетонов тех нологически очень важны, так как позволяют формовать в постоянных формах и транс портировать массивные и сложные фасонные огнеупорные изделия.
В соответствии с рассмотренными общими закономерностями виброуплотнения керамобетонных масс выбирают конкретные параметры процесса (удельное давление пригруза, продолжительность). Последнее на примере вибропрессования кремнезе мистых керамобетонов по работе [6.80] показано на рис. 6.71.
Видно, что исходная формовочная система характеризуется низкой исходной плот ностью (пористость 50-60 %). Характерной особенностью процесса виброформова ния кремнеземистых керамобетонов на основе вяжущих как с добавкой, так и без до бавки огнеупорной глины [6.81] является высокая степень уплотнения при низких давлениях (рис. 6.71). Видно, что основное уплотнение формовочной системы проис ходит уже при свободном виброуплотнении (понижение пористости системы до 2225 %). В процессе подъема давления (II), а потом выдержки при значении р = 0,3 МПа (III) пористость постепенно понижается до 12-16 %. При этом для оптимальных со ставов не отмечено существенной разницы в пористости материалов, полученных на вяжущих с пластифицирующей добавкой огнеупорной глины или без нее. Из рис. 6.71 следует, что максимальная степень виброуплотнения при вибропрессовании достига ется достаточно быстро (15-18 с).
Рис. 6.71. Режим приложения давления р (а) и кинетика уплотнения (б) при вибропрессовании керамо бетона на основе масс стш=20+30 % при влажности 4,5-5,5 %. Стадии процесса: / — свободное (без пригруза) виброуплотнение; II— подъем давления; III— выдержка при максимальном давлении
Рис. 6.72. Взаимосвязь между пока зателями В13или тшс областями зна чений С *(У), Су (2), и конечно по ристости керамобетона Пл (3)
40 25 16 12 /л., %
В работе [6.47] применительно к вибропрессованию кремнеземистых керамобетонов проанализированы следующие основные характеристики исходных формовочных систем: объемная доля заполнителя Ск\ объемная доля вяжущего Си\ отношение вяжущее:заполнитель (по сухой массе) В/3, массовая доля вяжущего тв. Взаимосвязь между указанными характеристиками следует из рис. 6.72, построенного на основе экспериментального исследования процесса виброформования с применением в ка честве заполнителя как мелких, так и крупных кварцевых песков.
Если для мелких песков представилось возможным уменьшить значения тшдо 2023 %, то для крупных или укрупненных — понизить вплоть до 12-15 %. Общей зако номерностью являются пониженные значения С,,* по мере уменьшения тг в формо вочной смеси.
Кроме рассмотренных характеристик, для виброформуемых керамобетонов весьма существенной является удельная поверхность раздела фаз 5р(рис. 6.73), определяемая
удельной поверхностью заполнителя |
и его объемной долей Ск3 из соотношения |
|
|
5р= 5 ; с ; . |
(6.13) |
По аналогии с ВКВС, характеризуемыми объемным твердо-жидким отношением ОТЖ [6.1], бетонные смеси предлагается характеризовать объемным отношением заполнительхуспензия (ОЗС), определяемым из отношения
Рис. 6.73. Влияние объемной доли заполнителя в керамобетоне С,.1 на Пу (У), объемное отношение заполнительхуспензия ОЗС (2), удельную поверхность раздела фаз $р (3) и среднюю толщину меж частичного зазора в контактной зоне Нч (4)
зернового состава заполнителя, характеризующегося удельной поверхностью 5 = = 150 см2/г, рассчитанные в соответствии с известными положениями [6.1] показатели ориентировочной толщины пленки вяжущего в контактной зоне 8 бетона в указанной области твуменьшаются с 25 до 5 мкм.
При уменьшении значения твниже 20 % при виброформовании в формовочных си стемах проявляется дефицит матричной системы, что сопровождается ростом порис тости материала и уменьшением его механической прочности, что следует из данных
рис. 6.75. |
|
Из последнего следует, что максимальные показатели |
для исходных материалов |
(область 1) характерны для керамобетонов, полученных из формовочных систем, со держащих 21-30 % вяжущего (матричной системы). Для материала же, подвергнуто го упрочнению посредством кратковременной обработки в растворе щелочи [6.82], оптимум по показателю твнаходится в пределах 20-26 %. Из сопоставления рис. 6.74 и 6.75 следует, что максимальные прочностные свойства характерны для материалов, характеризующихся достаточно тонкими (7-10 мкм) показателями среднего зазора (про слойки вяжущего) между зернами заполнителя.
Механизм рассмотренной аномалии, по нашему мнению, состоит в следующем. По мере концентрирования формовочной смеси и уменьшения зазоров между зернами заполнителя в процессе уплотнения осуществляется “выжимание” крупных частиц ВКВС с контактной зоны в поровое межзеренное пространство. В области низких значений твдаже усредненные показатели 8 находятся в пределах 5-10 мкм. Факти ческие же значения, как выяснено микроструктурными исследованиями, в отдельных участках еще меньше. Поэтому справедливо допустить, что в контактной зоне кон центрируются частицы с размером менее 2-3 мкм. При повышении же значения тш (или 8) в этой зоне фиксируются частицы и значительно большего размера, приближа ются к зерновому составу исходной ВКВС (рис. 6.76).
Таким образом, при различных значениях т'в(или 8) бетонов в структуре последних формируются существенно отличающиеся по дисперсности контактные зоны. Между тем дисперсность материала отливки (вяжущего) [6.82] оказывает существенное вли яние на кинетику упрочнения, осуществляемого посредством обработки в щелочных растворах.
Прочностные свойства керамобетонов в существенной мере определяются прочно стью контактных связей и преимущественно этим обстоятельством можно объяснить
Рис. 6.76. Структура контактной зоны кремнеземистых керамобетонов при низком (/) и повышен ном (2) содержании вяжущего
установленную “аномальную” закономерность. Таким образом, и в случае керамобетонов подтверждается известное для обычных бетонов правило — в качественном бетоне расход цементного теста должен быть минимальным, но достаточным [6.83].
По аналогии с процессами прессования и вибропрессования порошковых керами ческих масс [6.68] при виброформовании керамобетонов исключительная роль при надлежит выбору оптимальной влажности. Момент, в который пористость полуфаб риката становится равной объемной доле жидкости, соответствует предельному уп лотнению системы без удаления жидкости. Между тем, как правило, полуфабрикат характеризовался определенным содержанием защемленного воздуха (чаще всего 1- 2 %). В случае неоптимальных режимов виброформования отмеченное “недоуплотнение”(Д/7) может быть весьма существенным и достигать 8-10 %.
Изложенное подтверждается данными, показанными на рис. 6.77.
При равном исходном содержании вяжущего на процесс виброформования суще ственно влияет влажность формовочной смеси. При небольшой влажности (повышен ной жесткости) смеси отмечается недостаточное уплотнение и, как следствие, пони женная механическая прочность. При этом разница между фактической пористостью и расчетной (из предположения, что при данной влажности водой заполнены все поры полуфабриката) весьма существенна. Так, при IV, равной 3,5 и 5,0 %, недоуплотнение (разница между кривыми Уи 4) составляет 18 и 7 % соответственно. Граничная влаж ность, соответствующая условию полного заполнения пор водой для рассмотренного на рис. 6.77 случая, составляет около 6,5 %. Возможны случаи, когда фактическая по ристость полуфабриката оказывается меньшей, чем по расчету. Это обусловлено уда лением (выжиманием) части воды при виброформовании. Однако такому состоянию материала присуща недостаточная жесткость формы ( “оплывание " образца), что не позволяет формовать качественные изделия.
Аналогичная зависимость показателя пористости от влажности формовочной сме си при изучении вибропрессования кремнеземистых керамобетонов с применением пластифицированных ВКВС кварцевого песка в работе [6.80] показана на рис. 6.78.
Д*, % |
ссж, Н/мм2 |
Рис. 6.77. Влияние влажности формовочной смеси |
Рис. 6.78. Влияние влажности формовочной |
IVна пористость кремнеземистого керамобетона77^. |
смеси IVна показатели пористости П высушен |
с тш= 20% (У), его предел прочности при сжатии |
ного материала, отформованного вибропрессо |
а ех в исходном состоянии (2) и после упрочнения |
ванием из масс с массовой долей вяжущего (с |
(3); кривая 4 — расчетные значения пористости |
добавкой 5 % глины) 22 (У) и 11 % (2) |
Несмотря на существенно отличающееся содержание матричной (вяжущей) фазы (11 и 22 %), характер зависимости П-/( IV ) для кривых 7 и 2 аналогичен.
В работе [6.80] установлен положительный эффект добавки (5 %) огнеупорной гли ны в ВКВС кварцевого песка на процесс вибропрессования кремнеземистых керамобетонов. Так, при значении содержания вяжущего 15-25 % пористость материала на пластифицированной ВКВС на 1,5-2 % ниже, чем на ВКВС без этой добавки.
Технология вибропрессования керамобетонов кремнеземистого состава в промыш ленном варианте реализована применительно к производству строительных блоков [6.84], а также шамотных керамобетонов.
6.4. Процессы набивки или пневмо(вибро)трамбования в технологии огнеупорных бетонов
Процессы формования методом набивки, который классифицируют также как пнев мотрамбование или вибротрамбование применяют как при изготовлении монолитных футеровок, например, желобов доменных печей или стальковшей [6.78, 6.85], так и в производстве крупногабаритных блоков [6.86, 6.87].
Процесс вибротрамбования можно определить как мгновенно прикладываемое прес совое усилие. Под действием последнего отдельные частицы заполнителя внедряются в расположенные ниже слои уже уплотненной массы и дополнительно уплотняют его.
Для осуществления вибротрамбования (набивки) используют пневматическую трамбовку со съемными бойками, нагретыми до вишневого цвета. Длина хода пор шня трамбовки составляет 100-150 мм, давление воздуха 0,5-0,8 МПа, диаметр бойка 50-100 мм, форма поверхности бойка сферическая, но есть и с волнисто-шерохова той поверхностью [6.86].
В случае набивки подины с большой площадью, например, крупногабаритной элек тропечи, используют вибротрамбовку с четырехугольным бойком со стороной 300 мм. Характеристики различных трамбовок по данным [6.86] приведены в табл. 6.7.
Существуют два способа трамбования: послойный и непрерывный. При послойном способе вся футеровка разбивается на несколько слоев толщиной в уплотненном со стоянии <60 мм, и каждый слой утрамбовывается отдельно. Укладывают рыхлую мас-
Т а б л и ц а 6.7
Х а р а к т е р и с т и к а т р а м б о в о к д л я н а б и в к и |
|
|
|
||||||
Спецификации |
|
|
|
Марка |
|
|
|
||
В-00 |
В-0 |
В-1 |
Р-00 |
Р-1 |
Р-2 |
Р-4 |
Р-5 |
||
|
|||||||||
Диаметр бойка, мм |
18 |
22 |
25,4 |
18 |
25,4 |
32 |
20 |
50 |
|
Длина хода поршня, мм |
50 |
65 |
102 |
50 |
102 |
127 |
127 |
200 |
|
Общая длина, мм |
300 |
345 |
485 |
360 |
1058 |
1117 |
1117 |
670 |
|
Масса, кг |
2,1 |
3,1 |
5,4 |
2,1 |
6,8 |
9 |
12 |
17,5 |
|
Расход воздуха, м3/мин |
0,35 |
0,40 |
0,45 |
0,35 |
0,45 |
0,60 |
0,92 |
1,50 |
|
Внутренний диаметр шланга, мм |
9,5 |
12,7 |
12,7 |
9,5 |
12,7 |
12,7 |
12,7 |
12,7 |
|
П р и м е ч а н и я . 1. Давление потребляемого воздуха составляет 0,<МПа. 2. Резьба в трубочке для ниппеля составляет 10 мм (/(Дюйма).
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 6.8 |
|
Физические свойства футеровки в зависимости от способа ее набивки |
||||||
Показатель |
Способ набивки |
Показатель |
Способ набивки |
|||
послойный |
непрерывный |
послойный |
непрерывный |
|||
|
|
|||||
Истинная |
3,26 |
3,48 |
Предел прочности при |
|
|
|
плотность, г/см'1 |
|
|
сжатии в холодном |
|
|
|
|
|
|
состоянии,МПа, после |
|
|
|
|
|
|
обработки: |
|
|
|
Кажущаяся |
2,73 |
2,97 |
24 ч при 150°С |
25,3 |
29,0 |
|
плотность,г/см3 |
|
|
|
|
|
|
Кажущаяся |
15,5 |
14,4 |
2 ч при 1600 °С |
35,8 |
39,3 |
|
пористость, % |
|
|
|
|
|
|
су не сразу на всю площадь, подлежащую покрытию, а на полосу шириной 70-80 см. Если площади имеет форму шара, то начинают укладку на площади сегмента, а затем на полосках, образуемых хордами, увеличивающимися по мере приближения к цент ру круга.
Согласно второму способу, массу трамбуют непрерывно, подавая ее небольшими порциями, вследствие чего создается возможность выполнять сравнительно толстую бесшовную футеровку с равномерной набивной плотностью без слоевых соединений. Однако имеются и проблему при подсыпке массы. Разовая подсыпка должна быть достаточна для набивки слоя толщиной 50-150 мм.
Втабл. 6.8 по данным [6.88] приведено сравнение свойств набивной магнезитовой футеровки, утрамбованной послойно и непрерывно.
Скорость трамбования зависит от вида печи и футеруемого участка. Подину элект ропечи магнезитовыми набивными массами при одной трамбовке следует трамбовать со скоростью 100-250 кг/ч.
Вслучае необходимости при трамбовании применяют деревянные или металличес кие, но непременно прочные шаблоны, которые должны плотно прилегать к трамбуе мым массам.
Применение способа набивки огнеупорных масс в отечественной практике в значительной степени связа но с разработками ВостИО [6.86, 6.87]. В частности, многие годы этот способ применяют для формования кремнеземистых блоков на связке из жидкого стекла, производимых на Первоуральском динасовом заводе [6.86]. При этом способ набивки рассматривается как альтернативный обычному прессованию в том случае,
Рис. 6.79. Спаренные пневматические трамбовки с виброга шением на рукоятке: / — стойка; 2 — шарнирный копирую щий механизм; 3 — пневматические трамбовки; 4 — боек; 5
— форма блока; б — рукоятка с виброгасителем