CC BY
26УДК 669.184.413
Р.Р. АХТЯМОВ, ведущий специалист лаборатории жаростойких бетонов УралНИИстром; Б.Я. ТРОФИМОВ, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой строительных материалов Южно-Уральского государственного университета (Челябинск)
Организация производства элементов блочной футеровки вагонеток из жаростойкого бетона на шлакощелочном вяжущем
Институт УралНИИстром за свою многолетнюю историю внес значительный вклад в развитие отечественной керамической промышленности. На протяжении 60-80-х гг. УралНИИстром (в то время институт УралНИИстромпроект) выполнял функции головной научно-исследовательской и проектной базы в системе Министерства промышленности строительных материалов РСФСР, в том числе в части модернизации и совершенствования обжиговых агрегатов отрасли.
Однако активная интеграция России в мировую экономику обусловила широкое применение на отечественных предприятиях новых зарубежных продуктов и технологий, что привело к существенному удорожанию футеровочных материалов.
В связи с этим институт УралНИИстром в сотрудничестве с кафедрой строительных материалов ЮжноУральского государственного университета продолжает работы по совершенствованию конструкции и подбору более экономичных отечественных футеровочных материалов для решения проблем, в том числе связанных с увеличением межремонтного срока эксплуатации вагонеточного парка печей обжига керамического кирпича.
Как известно, футеровка вагонеток эксплуатируется в гораздо более тяжелых условиях, чем футеровка стен и перекрытия туннельных печей в зоне обжига. Наряду с постоянными термическими напряжениями при циклическом воздействии температуры в течение 24—36 ч, связанных с подъемом температуры до 1000—1100оС и выше, остыванием в канале печи до 100—200оС и последующим резким охлаждением при выходе из печи под разгрузку, футеровка вагонеток несет также нагрузку от садки, подвергается ударным воздействиям при продвижении вагонеток вдоль канала печи.
Все это приводит к существенному ограничению срока службы футеровки печных вагонеток и необходимости постоянных затрат на их ремонт, что в конечном итоге приводит к удорожанию основной продукции — керамического кирпича.
Обжиговые вагонетки являются важнейшим элементом конструкции туннельной печи, влияющим в значительной мере на ее эффективную работу, и поэтому должны отвечать широкому спектру требований по качеству, сроку службы и экономичности.
Требования, предъявляемые к футеровке печных вагонеток:
• достаточная прочность, в том числе в нагретом состоянии, чтобы выдерживать массу садки обжигаемого кирпича с учетом ударных нагрузок, возникающих при проталкивании вагонеток;
• ровная поверхность без выступов для установки блоков канализованного пода;
• повышенная термостойкость (способность без разрушения воспринимать многократные циклы нагрева-остывания);
• низкая теплопроводность для снижения теплопо-терь через под печи и уменьшения нагрева подшипников колесных пар;
• низкая теплоемкость футеровки для снижения теп-лозатрат на прогрев вагонетки и экономии энергоресурсов;
• обеспечение эффективного конвективного теплообмена через канализованный под для прогрева нижних рядов садки кирпича;
• низкая масса футеровочных элементов для снижения нагрузки на механизмы передвижения печной вагонетки;
Рис. 1. Конструкция печной вагонетки с использованием модульных Рис. 2. Остаточная прочность (%) жаростойкого бетона после нагрева блоков из жаростойкого бетона: 1 - основание печной вагонетки; до 800°С и 1000°С в зависимости от вида вяжущего
2 - окантовочные блоки верхнего ряда из жаростойкого бетона;
3 - окантовочные блоки нижнего ряда из жаростойкого бетона; 4 - элементы канализованного пода из жаростойкого бетона
научно-технический и производственный журнал
• устойчивость окантовочных блоков к термическим колебаниям, механическому воздействию и деформациям, возникающим во время движения вагонетки, во избежание разрушения и сохранения плотного сочленения вагонеток и примыкания к стенам печи. Опыт показывает, что при использовании в качестве футеровочного материала жаростойкого бетона наиболее важной характеристикой, определяющей длительность его эксплуатации, является термостойкость — способность воспринимать многократные циклы нагрева-остывания. Неравномерность нагрева отдельных слоев футеровочного материала обусловливает возникновение напряжения сдвига между этими слоями. Величина сдвига зависит от разницы величин расширения неравномерно нагретых слоев, а следовательно, и от величин температурного градиента. Абсолютная величина расширения температурных слоев обусловливается коэффициентом линейного термического расширения футе-ровочного материала (КЛТР), зависящим от его химико-минералогического состава. Таким образом, при прочих равных условиях термостойкость находится в прямой зависимости от прочности и теплопроводности, и в обратной — от модуля упругости и коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) [1].
Одним из путей снижения затрат на изготовление и ремонт футеровки печных вагонеток является использование изделий из жаростойкого бетона с повышенными термомеханическими свойствами. При этом наиболее экономически выгодным вариантом снижения стоимости футеровок печных вагонеток является организация собственного производства элементов блочной футеровки вагонеток из жаростойкого бетона на шлакощелочном вяжущем.Институтом УралНИИстром была разработана конструкция футеровки печной вагонетки с использованием модульных блоков из жаростойкого бетона (рис. 1). Одним из решений повышения долговечности футеровки печной вагонетки 1 было разделение окантовочных блоков на два ряда: верхний 2 и нижний 3. Окантовочные блоки, как и элементы канализованного пода 4 выполнены из жаростойкого бетона на шлакощелочном вяжущем.
Основным преимуществом шлакощелочных композиций перед другими видами вяжущих является то, что бетоны на их основе имеют более высокую остаточную прочность (рис. 2) и, как следствие, повышенную термостойкость [2].
Опыт показывает, что применение современных жаростойких бетонов на шлакощелочном вяжущем в 2—2,5 раза увеличивает срок службы вагонеток и на
Рис. 3. Участок по производству элементов блочной футеровки печных вагонеток: 1 - приемные бункеры заполнителей и шлака; 2 - пост приготовления щелочного раствора; 3 - пост формования изделий
20—40% удешевляет стоимость футеровок по сравнению с изделиями на цементах гидратационного твердения [3].
Однако в современных источниках отсутствует единая технологическая концепция, описывающая особенности производства жаростойких бетонов на шлакоще-лочном вяжущем, отсюда разночтения в его эксплуатационных свойствах и технологии производства.
Принципиально технология бетона на шлакощелочном вяжущем от технологии приготовления бетонов на гидравлических вяжущих отличается использованием в качестве жидкости затворения не воды, а щелочного раствора.
В остальном методика приготовления смеси и изготовления изделий из шлакощелочного бетона мало чем отличается от технологии бетонирования на гидравлических вяжущих.
Участки для производства элементов блочной футеровки вагонеток из жаростойкого бетона на шлакощелоч-ном вяжущем по технической документации, разработанной институтом УралНИИстром, действуют в настоящее время на ряде кирпичных заводов Уральского региона.
Основными преимуществами организации собственного участка по производству элементов блочной футеровки является возможность полного контроля качества продукции, и, самое главное, достигается существенная экономия затрат на изготовление и ремонт футеровки печных вагонеток.
Для организации производства элементов блочной футеровки из жаростойкого бетона, в том числе оканто-вочных блоков и элементов канализованного пода, требуется участок площадью порядка 200—300 м2 оборудованный подъемным механизмом (кран-балкой).
Участок по производству жаростойкого бетона (рис. 3) оборудуется 3 бункерами: два из них для хранения шамотного заполнителя — мелкого (фракция 0—5 мм) и крупного (фракция 5—10 мм); третий для хранения тонкодисперсного шлака. Допускается временное хранение составляющих бетонной смеси в переносных емкостях.
Участок приготовления щелочного компонента (рис. 4) состоит из емкости приготовления щелочного раствора 1 с перемешивающим и подогревающим устройствами (вращающиеся лопасти и ТЭНы), над которой устанавливается зонт с активной вытяжкой.
Щелочной компонент поступает в твердом гранулированном виде в герметичных металлических бочках 2. При помощи кран-балки бочки устанавливаются на эстакаду, после чего щелочь загружается в емкость приготовления щелочного раствора. Между емкостью приготовления щелочного раствора и роторным бетоносме-
Рис. 4. Пост приготовления щелочного раствора: 1 - емкость приготовления щелочного раствора; 2 - бочки с щелочным компонентом; 3 - бак-дозатор щелочного раствора; 4 - бак-дозатор воды
научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. Пост формования изделий: 1 - бетоносмеситель; 2 - бункер-дозатор; 3 - металлические формы; 4 - вибростол; 5 - камеры термообработки
сителем находится бак-дозатор щелочного раствора на один замес 3 и бак-дозатор воды 4.
Бетонирование и твердение блоков происходит на посту формования изделий (рис. 5). Крупный и мелкий шамотный заполнитель, а также тонкодисперсный шла-косодержащий компонент переносным емкостным дозатором загружаются в бетоносмеситель принудительного действия с вертикальным валом и нижним приводом 1.
После перемешивания сухой смеси из бака-дозатора в бетоносмеситель заливают щелочной раствор. Одновременно из бака-дозатора воды подается расчетный объем воды, необходимый для получения смеси требуемой пластичности.
Далее при помощи разгрузочного устройства смесь выгружается в бункер-дозатор 2, откуда при помощи кран-балки смесь укладывают в формы 3 для изготовления окан-товочных блоков или элементов канализованного пода. Количество используемых форм должно соответствовать количеству производимых блоков, необходимых для футеровки одной вагонетки. Формы должны обеспечивать получение изделий с отклонениями в размерах не более 1—2 мм.
Формование блоков из жаростойкого шлакощелоч-ного бетона предусматривает следующие этапы:
• укладка бетонной смеси в формы;
• виброуплотнение смеси;
• термообработка жаростойкого бетона;
• разборка форм;
• чистка и смазка форм.
Бетонную смесь в формах уплотняют на виброплощадке соответствующей грузоподъемности 4, после чего при помощи кран-балки помещают в камеру термообработки 5, нагреваемую при помощит ТЭНов.
Термообработку жаростойкого бетона на шлакоще-лочном вяжущем следует осуществлять по специальному режиму. Режим термообработки должен назначаться с учетом свойств жаростойкого бетона, конструктивных особенностей форм, технологического режима работы оборудования и времени года.
Рекомендуемый режим твердения: 3 ч — подъем температуры до 60оС; 20 ч — изотермическая выдержка при 60—80оС;
2 ч — подъем температуры до 120оС; 20 ч — изотермическая выдержка;
3 ч — охлаждение до 40—50оС.
После термообработки формы при помощи кран-балки размещают на подготовленную площадку для охлаждения, распалубки и смазки.
Готовые изделия помечают и аккуратно складируют. Формы чистят, наносят смазочные материалы и отправляют на бетонирование.
Подбор состава жаростойкого бетона на шлакоще-лочном вяжущем с повышенными термомеханическими характеристиками был выполнен лабораторией жаростойких бетонов УралНИИстром и кафедрой строительных материалов ЮУрГУ. Жаростойкий бетон на шлакощелочном вяжущем обладает высокой теплопроводностью, а коэффициенты линейного термического расширения шлакощелочной матрицы и заполнителя близки по значению. Повышенную термостойкость шлакощелочного бетона удалось достичь введением в состав тонкодисперсных компонентов, увеличивающих остаточную прочность, и введением тонкомолотых наполнителей алюмосиликатного состава.
Таким образом, для изготовления конструктивных элементов футеровки высокотемпературных агрегатов периодического действия, в том числе для футеровки печных вагонеток, целесообразно использовать жаростойкие бетоны на шлакощелочном вяжущем. Они обладают наибольшей термостойкостью из числа известных видов жаростойкого бетона, высокой прочностью и могут эксплуатироваться в жестком температурном режиме не менее 2—3 лет.
Ключевые слова: шлакощелочное вяжущее, вагонетки, футеровка, жаростойкий бетон.
Список литературы
1. Кингери У.Д. Введение в керамику. М.: Стройиздат, 1967. 499 с.
2. Michal Benes. Thermal spalling of concrete exposed to high temperatures. Czech technical university in Prague. 2006.
3. АхтямовР.Р. Жаростойкий бетон повышенной термостойкости на шлакощелочном вяжущем // Огнеупоры и техническая керамика. 2010. № 3. С. 43—36.
fj научно-технический и производственный журнал
® февраль 2011 2э"
