Б.Д ТОТУРБИЕВ, академик РИА, д-р техн. наук, проф., А.Б.ТОТУРБИЕВ, канд. техн. наук, М.А.АЛХАСОВ, инж. (Дагестанский государственный технический ун-т), Жаростойкие бетоны на безводных силикатах натрия
Жаростойкие бетоны по праву заняли одно из главных мест в строительстве, реконструкции и ремонте тепловых агрегатов черной и цветной металлургии, нефтехимической и химической промышленности, энергетической отрасли, промышленности строительных материалов и др. В настоящее время главной задачей исследователей в этой области является создание новых, еще более эффективных видов жаростойких бетонов, производство которых позволило бы экономить дорогостоящее и дефицитное сырье, снизить расход топливно-энергетических ресурсов и затраты труда.
В результате многолетних всесторонних теоретических и экспериментальных исследований получены эффективные виды безводных силикат натриевых композиционных вяжущих (БСН) и на их основе жаростойкие бетоны с температурой применения 1000-1800°С [1-3].
Вяжущие свойства этих композиций проявляются главным образом вследствие приобретения безводными силикатами натрия адгезионных свойств, определяющих клеящую способность этого компонента, и когезионную прочность клеевых контактов, прочность и долговечность которых, в свою очередь, зависят от условий образования.
Использование в качестве связки сухого зернистого медленно гидратирующегося материала позволяет добиться высокой степени гомогенизации его в смеси даже при низкой дозировке его в составе массы. Концентрация связующего компонента в этом случае определяется не условиями гомогенизации и уплотнения смеси, т.е. не технологическими, а только факторами эксплуатационной стойкости. Это открывает возможность значительного снижения концентрации силиката натрия в массе и, как следствие, уменьшения в бетоне содержания плавней, что в конечном счете должно привести к повышению огнеупорности бетона на БСН и значительному улучшению его термохимических свойств.
В жаростойких бетонах этого вида обеспечивается плотная упаковка зернистых составляющих с контактным омоноличиванием частицами гидратированного вяжущего. Зерна тонкодисперсных БСН и огнеупорного заполнителя формируются в конгломераты, наружный слой которых состоит из мелких частиц силиката натрия. Эти конгломераты и обеспечивают контактное омоноличивание бетона, при котором создаются локализованные в пространстве межзерновые клеящие швы. Такая специфическая структура омоноличивания позволяет при малом расходе связующего достигать удовлетворительной прочности при сжатии и растяжении, сохранять эту прочность при повышенной температуре и, что очень важно, обеспечивать высокую трещиностойкость изделий при циклическом нагревании-охлаждении (термостойкость) и хорошие термомеханические показатели.
Основные характеристики некоторых видов жаростойких бетонов на безводных силикат-натриевых композиционных вяжущих приведены в таблице. Анализирую ее, можно отметить высокую прочность бетонов после сушки и весьма высокую (до 60 МПа) прочность после нагрева до температуры начала деформаций. Высокая термическая стойкость полученных бетонов, характерная практически для всех композиций на силикат-натриевых вяжущих, объясняется также отсутствием в их составе гидратных соединений и малокомпонентностью систем.
Приготовление бетонов и выпуск изделий и конструкций из них не требует какого-либо нестандартного оборудования. Технологический процесс производства бесце- ментных жаростойких бетонов и изготовление изделий и конструкций из них включает получение си- ликат-натриевого вяжущего, приготовление формовочной массы, формование изделий и тепловую обработку (сушку) (рис.1).
Получение силикат-натриевого композиционного вяжущего заключается в совместном помоле на шаровой мельнице силикат-глыбы и части основного огнеупорного материала до Syfl=2500.. .3000 смг.
Приготовление формовочной массы рекомендуется осуществлять всухую в растворо- или бетоносмесителе принудительного действия в течение 2-4 мин. Сухие смеси можно транспортировать к месту потребления, где их необходимо увлажнять и перемешивать еще 3-4 мин. Изделия можно формовать трамбованием или виброформованием с пригрузом при промышленной частоте 3000 коп/мин. Бетоны предназначены для монолитной и блочной футеровки тепловых агрегатов металлургической, химической, нефтехимической и энергетической промышленностей.
Разработанные бетоны не содержат в своем составе цементов, а также других видов традиционных вяжущих и представляют собой безводные силикат-натриевые композиции. В процессе производства таких бетонов, в отличие от известных, отпадает необходимость в таких энерго- и трудоемких операциях, как автоклавная обработка и обжиг по специальному режиму. Технологический цикл предусматривает только их термообработку при 150 - 200 °С.
Подобные бетоны широко применяют в различных тепловых агрегатах металлургической промышленности и предприятий строительных материалов. Бетон на муллитокорундовом заполнителе был использован трестом «Донбассдомнаремонт» в методических печах листопрокатных станов, а также в печах трубопрокатного цеха Ждановского металлургического комбината. Из него формовали фасонные камни для горелок нагревательных печей взамен обжиговых огнеупорных изделий 9 и 11 классов сложности, изготовляемых огнеупорной промышленностью по индивидуальным заказам. Этим же трестом на металлургических печах № 1 и 2 листопрокатного стана 2540 была выполнена монолитная футеровка горелочных стен томильной и сварочных зон. После двух лет эксплуатации горелочные стены находились в удовлетворительном состоянии и были оставлены на следующий двухлетний период эксплуатации. Здесь уместно отметить, что материал горелочной стены, особенно футерующий сами горелки, работает в условиях частых теплосмен около 150-200 раз в году. Кроме того, его эксплуатация происходит в агрессивной среде, особенно в случае сжигания жидкого топлива.
В этих условиях обжиговые высокоглиноземистые изделия, применяемые для футеровки горелок, не всегда выдерживают в течение одного-двух лет эксплуатации. В то же время горел очная стена, выполненная из жаростойкого бетона на безводном силикат-на- триевом композиционном вяжущем, в таких условиях прослужила около четырех лет и находилась еще в удовлетворительном состоянии. Замена обжиговых огнеупорных изделий жаростойким бетоном позволяет в данном случае снизить расход дефицитного сырья на 1 т стали по крайней мере в два раза. При этом трудовые затраты снижаются не менее чем в три раза, а также исключается обжиг при производстве изделий, что позволяет существенно снизить затраты топлива.
Монолитные футеровки тарелочных стен из жаростойкого бетона на безводном силикат-натриевом композиционном вяжущем были применены на методических печах листопрокатного цеха.
На доменноной печи № 1 Ена- киевского металлургического завода трест «Донбассдомнаремонт» осуществил укрепление жаропрочного фундамента. С этой целью методом инъекции закачивали жидкоподвижный жаростойкий раствор на силикат-натриевом вяжущем за кожух фундамента доменной печи, что уплотняло и скрепляло разрушавшиеся частицы. В результате отпала необходимость остановки и демонтажа печи с последующим усилением фундамента. При этом дополнительный выпуск металла составил 20 тыс.т.
Муллитокорундовый жаростойкий бетон на высокоглиноземистом и карбидкремниевом силикат-натриевых вяжущих был применен для изготовления холодильных плит кожуха шахты доменной печи взамен чугунных изделий, продолжительность эксплуатации которых не превышает 1-1,5 лет.
На Ждановском металлургическом комбинате впервые в мировой практике применили в опытном порядке монолитную футеровку кожуха шахты доменной печи №4 из жаростойкого бетона. Бетонирование осуществлялось непосредственно на металлических листах кожуха размером 10,5x4,1 м. Бетон укладывали в форму и уплотняли виброрейкой. Внутри бетонного массива во время бетонирования устанавливали металлические трубы для водоохлаждения футеровки. Фрагмент такой футеровки (карты), установленный на специальном вагоне, направляли в камерную сушилку размером 14x8м, где подвергали низкотемпературной тепловой обработке при 250°С. После остывания карту монтировали в конструкцию ограждения доменной печи. Его масса составляла 50-55 т, а масса бетона в одной карте достигала 20 т (рис.2).
На этом комбинате для футеровки штуцеров горелки и горячего дутья в воздухонагревателе № 18 ДП-5 был использован жаростойкий бетон на силикат-натриевом композиционном вяжущем. В доменной печи №4 и №5 были торкретированы купол и устье газоот- водов. Общая поверхность футеровки составила 120 м2. В состав торкрет-масс из шамотного бетона на силикат-натриевом композиционном вяжущем дополнительно вводили до 2% глиноземистого цемента. Торкретирование производилось полусухим способом.Для лучшего сцепления торкретного покрытия с чугунными плитами купола его армировали металлическими сетками, которые приваривались Т-образными шпильками к кожуху купола. Поверхность купола после торкретирования была ровной, без видимых наплывов.
Использование горелочных камней из жаростойкого карбид- кремниевого бетона на безводном силикат-натриевом композиционном вяжущем в НПО «Тулачермет» взамен жаростойкого шамотного бетона на высокоглиноземистом цементе позволило продлить срок их службы до 12 мес, что превысило межремонтный период почти в два раза.
Алюмосиликатный шамотный жаростойкий бетон на безводном силикат-натриевом композиционном вяжущем был применен для футеровки тепловых агрегатов и огнеупорных припасов на заводе строительных материалов. Жаростойкий бетон был использован для футеровки обжиговых вагонеток туннельной печи.
Футеровка была монолитной (сплошное бетонирование пода вагонетки) и сборной (монтаж из крупных блоков). Таким образом, опытно-промышленное применение жаростойких бетонов на силикат-натриевом композиционном вяжущем для футеровки тепловых агрегатов металлургических заводов и предприятий промышленности строительных материалов показало их высокую стойкость и эффективность.
Бетон и железобетон, 2007 №3