Комплексная модифицирующая органоминеральная добавка для алюмосиликатных огнеупорных систем на основе высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК.666.762.12

Н.А. ШАПОВАЛОВ, А.А. СЛЮСАРЬ, А.В. ЧЕРЕВАТОВА, Ю.Н. ЕРМАК, С.Н. ЕРМАК, Ю.Е. ПИВИНСКИЙ*

КОМПЛЕКСНАЯ МОДИФИЦИРУЮЩАЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ОГНЕУПОРНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ СУСПЕНЗИЙ

(Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Российская академия инженерных наук, г. Москва)

Разработана комплексная органоминеральная добавка, состоящая из триполи-фосфата натрия (50 - 75%) и продукта органического синтеза СБ-5 (25 - 50%), позволяющая максимально снизить вязкость и влажность, повысить седиментационную устойчивость высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий (ВКВС), а также улучшить основные эксплуатационные характеристики огнеупорных материалов, полученных на основе ВКВС.

В современной промышленности строительных материалов достаточно широкое распространение получила технология производства строительных растворов и бетонных смесей с применением эффективных органоминеральных добавок, полученных на основе отходов производства резорцина, так называемых суперпластификаторов: СБ, СБ-3, СБ-5 и их производных. Строительные материалы, полученные с применением небольших (0,3 - 0,6 % по массе) добавок, имеют существенно более высокие физико-механические и эксплуатационные характеристики [1 - 2].

На сегодняшний день установлена еще одна перспективная область применения суперпластификаторов, полученных на основе отходов производства резорцина [1] - это высококонцентрированные керамические литейные системы, в частности высо-сконцентрированные керамические вяжущие суспензии (ВКВС) и материалы на их основе.

Традиционная область применения ВКВС - огнеупорная промышленность.

По сравнению с аналогичными огнеупорами данного класса огнеупоры, полученные на основе ВКВС, обладают более высокими эксплуатационными характеристиками. Наряду с указанными преимуществами, огнеупорные системы на основе ВКВС, как правило, нуждаются в корректировке своих реологических свойств из-за низкой пластичности и существенной дилатансии исходных систем.

Одним из эффективных способов влияния на структуру и свойства получаемого огнеупорного материала является подбор оптимального зернового состава и введение в состав системы модифицирующих добавок. К таким добавкам можно отнести различные пластификаторы, электролиты, поверхностно активные вещества (ПАВ). Они, в

зависимости от свойств и состава, подразделяются на индивидуальные и комплексные.

Настоящая работа посвящена оптимизации технологического процесса получения керамической суспензии по методу ВКВС путем подбора наиболее эффективного дефлоккулянта, позволяющего максимально снизить влажность и вязкость системы при одновременном повышении ее текучести и седиментационной устойчивости. Подробное изучение влияния добавок на разных стадиях структурирования ВКВС и подвижности сырьевых смесей на их основе позволило определить наиболее оптимальное сочетание применяемых добавок для достижения максимального разжижения изучаемых систем при минимальной влажности, оптимизации технологического процесса и получения материалов на их основе с высокими физико-механическими и термомеханическими показателями.

В качестве исходных материалов для ВКВС как связки при получении рассматриваемых огнеупоров применяют шамот с различным содержанием А1203, муллит, боксит и т.д.

Предлагаемая комплексная органомине-ральная добавка представляет собой композицию суперпластификатора СБ-5 и триполифосфата натрия (Ка5Р3О10).

Установлено, что для высокоглиноземистых и корундовых огнеупорных систем (масс) наиболее эффективным является соотношение: 33,33% СБ-5+66,66% №5Р3О10 (1: 2). Содержание активного натрия в комплексной добавке составляет 24,15%. Для шамотных и полукислых огнеупорных систем (масс) наиболее эффективным является соотношение 1:3 или 25% СБ-5+75% Ка5Р3010. Определен также интервал применения комплексной добавки: от 0,02 до 0,1% на массу сухого вещества.

Для достижения поставленной цели были получены исходные ВКВС алюмосиликатного состава. Мокрый помол осуществляется в шаровой мельнице с постадийной загрузкой материала, соблюдаются все основные принципы получения ВКВС [3].

После окончания мокрого помола ВКВС характеризуется влажностью 12-15%, содержанием частиц менее 5 мкм в пределах 20 - 40% и крупнее 63 мкм 5 - 15%. Полученная суспензия подвергается гравитационному перемешиванию (стабилизации). Для повышения седиментацион-ной устойчивости и одновременном снижении вязкости, а также для улучшения реотехнологиче-ских свойств, в суспензию на конечной стадии стабилизации вводилась комплексная органоми-неральная добавка. Эта операция позволяет получить ВКВС с улучшенными характеристиками и не усложняет сам технологический процесс.

Минимальная вязкость отмечена при концентрации комплексной добавки 0,1 %, величина ионного показателя системы: рН 8,97.

На рис. 1 представлены сравнительные реологические характеристики исходной ВКВС и ВКВС с различными модифицирующими добавками. Следует отметить, что концентрация комплексной добавки - 0,1%, наиболее эффективно разжижает данную систему с понижением общей вязкости до 15 раз, при этом сохраняется ее седи-ментационная устойчивость.

В 3

250 300 350 400 45С

-•3

7

ной системы, но данный путь приводит к появлению пенообразующей способности добавки и переводит ее из разряда пластификатора в пенообразователь.

Отмечено, что введение комплексной ор-ганоминеральной добавки приводит к понижению открытой пористости, увеличение плотности и механической прочности материала (рис. 2, 3).

Эффективная вязкость, Па-с

Рис. 1. Изменение эффективной вязкости от градиента скорости сдвига при использовании оптимальных концентраций разжижающих добавок: 1 - реотан; 2 - жидкое стекло; 3 - СБ-3, 4 - СБ-5, 5 - № 5, 6 - № 8 (последние являются модификацией СБ-5), 7 - С 3 в сравнении с исходной системой ВКВС боксита - 8.

Изучались модификации суперпластификатора, отличающиеся между собой размером молекулы. В ходе эксперимента, по мере увеличения молекулярной массы СБ-5, наблюдалось незначительное улучшение течения керамической литей-

16

ТПФ 0 20 40 60 80 100 СБ-5..........................

100 80 60 40 20 0

Концентрация,%

Рис. 2. Зависимость открытой пористости керамобетона на основе бокситовой ВКВС после термообработки при: 1 - 110 0С; 2 - 1000 0С; 3 - 1400 0С, от изменения соотношения компонентов комплексной разжижающей добавки при ее содержании в системе 0,1 %.

£р го 1= 1= S Е

40

60

80

0

ТПФ 0

СБ 51 ' ' ' ' 1 ' ' ' ' 1 ' ' ' ' 1 ' ' ' ' 1 ' ' ' ' 1 100 80 60 40 20 0

Концентрация, %

Рис. 3. Зависимость предела механической прочности при сжатии для керамобетонов на основе бокситовой ВКВС от соотношения компонентов комплексной добавки после термообработки образцов при: 1 - 110 0С; 2 - 1000 0С; 3 - 1400

0С. Содержание добавки в системе 0,1 %.

При проведении серии лабораторных и промышленных испытаний было изучено влияние комплексной органоминеральной добавки на процесс получения неформованных огнеупоров алюмосиликатного состава (набивных и наливных масс, саморастекающихся бетонов).

Промышленные эксперименты по определению влияния разработанной комплексной добавки на технологию производства вибролитых

24

23

22

21

20

19

18

17

80

5

0,6

60

0,4

4

40

0,2

20

8

2 -

2

0

0

50

100

150

400

450

масс и изменение основных физико-механических и термомеханических свойств проводились на ОАО «Динур» города Первоуральска.

Введение оптимальных концентраций (см. таблицу) комплексной органоминеральной добавки в саморастекающиеся керамобетонные массы бокситового состава позволяет существенно увеличить подвижность бетонной смеси, что является немаловажным положительным технологическим фактором. Растекаемость вяжущего исходная - 30 мм, с комплексной добавкой - 135 мм, для систем керамобетонов этот показатель несколько ниже и зависит от изменения соотношения компонентов комплексной добавки (см. рис.4).

Таблица.

Влияние состава и типа разжижающей добавки на свойства керамобетонов на основе ВКВС боксита, при ее 0,1 % содержании в системе.

я% а% я - Открытая пористость, % (после термообработки при 1, °С) Предел механической прочности при сжатии, Мпа 1 О 1 « ° -Я 5 «

№ п/п Состав керамобетона Состав раз-жижителя Ц! Л вост О § 3 2 рж © « 110 1000 1400 110 1000 1400 Температура деформац под нагрузко

1 ЛЬС^-БЮ-БЮ-С (углерод-2 %, огнеупорная глина-1 %) ТПФ 6,0 18,5 21,7 19 9,5 37 78 1620

2 А^ОтБЮ^С-С (углерод-2 %, огнеупорная глина-1 %) СБ - 5 6,1 20,6 23,5 21,2 3,7 24 69 1650

3 А1203-Б102-Б1С-С (углерод-2 %, огнеупорная глина-1 %) Комплексный разжижитель 5,5 17 20,6 18,2 15,8 54 98 1660

4 А120э-Б102-Б1С-С (углерод-2 %, огнеупорная глина-1 %) ЖС+ТПФ (50 : 50) 9,4 19,4 21,8 19,6 5,9 42 81 1630

5 АЬ03-БЮ2 (ВКВС боксита + электрокорунд) Комплексный разжижитель 5,7 17,2 16,5 15,7 15 94 204 1680

6 АЬ03-БЮ2 (ВКВС боксита + электрокорунд + 1 % огнеупорная глина) Комплексный разжижитель 5,6 16 15,4 14,8 20,5 100 210 1650

7 АЬ03-БЮ2 (ВКВС боксита + электрокорунд + 1 % огнеупорная глина) ТПФ 5,9 16,8 16,1 15,6 12,4 85 195 1620

8 А1203-БЮ2 (ВКВС боксита + электрокорунд + 1 % огнеупорная глина) ЖС+ТПФ (50 : 50) 6,4 18,5 17,3 16,6 14,2 73 188 1620

с, %

Рис. 4. Зависимость влажности (1) и растекаемости (2) кера-мобетона от изменения соотношения компонентов комплексной разжижающей добавки при ее содержании в системе 0,1 %.

Кроме того, фактически снижается рабочая влажность бетонной смеси, и в зависимости от состава эффективность влияния комплексной добавки на основные физико-технические характеристики составляет 25-100%(см. таблицу). В ходе экспериментальной работы было отмечено, что эффективность комплексной добавки обусловлена суммированием различных механизмов воздействия компонентов на частицы дисперсной фазы ВКВС и смесей. Если для минеральных добавок типа жидкого стекла или триполифосфата натрия разжижение обусловлено образованием двойного электрического слоя (ДЭС), изменением РН дисперсионной среды ВКВС, увеличением значения электрокинетического потенциала, то для органических добавок (СБ-5) характерна их адсорбция на поверхности частиц и гидрофилизация за счет наличия в них полярных групп. Это приводит к пеп-тизации вторичных агрегатов на первичные частицы и образованию более мелкокристаллической структуры с увеличением числа контактов между ними. Кроме того, суперпластификатор СБ - 5 несколько снижает поверхностное натяжение на границе жидкость - газ, вследствие чего размер пузырьков воздуха уменьшается и облегчается их выход на поверхность в процессе формования изделий. Наблюдаемые эффекты позволяют увеличить плотность и механическую прочность, снизить пористость материала и изделий при введении комплексной добавки.

Благодаря этому эффекту, керамобетонные массы, имеющие в составе масс комплексную орга-номинеральную добавку, по сравнению с традиционными огнеупорами данного класса со сравнимым химическим составом, характеризуются повышенными термомеханическими и эксплуатационными характеристиками благодаря более равномерной тонкокапиллярной структуре. Так, температура начала деформации под нагрузкой на 40 - 60°С выше, чем у заводских аналогов. Данный материал более устойчив к агрессивному воздействию среды в условиях службы, экологически безвреден. Области применения огнеупорных материалов, имеющих в составе масс комплексную органоминеральную добавку, - традиционные для огнеупоров рассматриваемых классов: стале-разливочные ковши, камеры горения воздухонагревателей, для футеровки доменных печей, для кладки лещади доменных печей, стаканы коллекторы и т. п.

Таким образом, разработанная комплексная органоминеральная добавка позволит получить огнеупорный материал с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

ЛИТЕРАТУРА

1. Латыпова М.М. и др. // Экология и промышленность России. 2000. № 1. С. 16 - 17.

2. Шаповалов Н.А. и др. // Наука производству. 2001. № 3. С. 20 - 22.

3. Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и кера-мобетоны. М.: Металлургия. 1990. 272 с.

Кафедра физической и коллоидной химии