Экзотермический огнеупорный мертель

 

Изобретение относится к огнеупорным растворам для изготовления и ремонта кирпичной клади и может быть использовано в металлургической, коксохимической и стекловаренной промышленности. Задачей изобретения является создание экзотермического мертеля высокой термичности для получения керамической связки повышенной огнеупорности и низкой пористости. Экзотермический огнеупорный мертель включает, мас.%: оксид железа 22-40, алюминий 17-29, огнеупорную глину 15-23, глинозем 5-22, гипс 4-15 и триполифосфат натрия 1-3.

Изобретение относится к огнеупорным растворам для изготовления и ремонта кирпичной кладки и может быть использовано в металлургической, коксохимической и стекловаренной промышленности.

Известен состав для заполнения швов кладки футеровки кислородного конвертора из магнезито-хромитового кирпича, содержащий магнезитовый порошок и термитную добавку, в виде алюминиевого порошка, и прокатную окалину при следующем соотношении компонентов, мас.%: магнезитовый порошок - 52-60 алюминиевый порошок - 8-12 прокатная окалина - 32-38 (а.с. СССР N 912716, C 04 B 35/04, опубл. 15.03.82 БИ N 10).

Недостатком указанного состава является малая термичность, пониженная огнеупорность и высокая пористость, образующейся после алюминотермии связки, вызванная значительной огневой усадкой при разогреве кладки. Усадка происходит из-за спекания зерен магнезита и кирпича при химическом взаимодействии алюминия и окислов железа.

Известна огнеупорная масса, содержащая компоненты, мас.%: магнезит - 28-32 окислы железа - 23-28 алюминий - 10-13 хромомагнезит - 18-22 огнеупорная глина - 5-6
жидкое стекло, плотностью 1,15-1,20 г/см³ - 6-9
(а.с. СССР N 494374, C 04 B 35/68, опубл. 05.12.75 БИ N 45).

Недостатком этой огнеупорной массы является низкая термичность и слабая огнеупорность образующегося в процессе реакции СВС продукта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению является огнеупорный материал, получаемый обжигом экзотермической смеси, содержащий следующие компоненты, мас.%:
восстановитель - 6-20
окислитель - 20-70
наполнитель - 100 (при суммарном содержании компонентов 100%).

В качестве восстановителя используют магний, алюминий, цинк, кремний, титан или их сплавы, в качестве окислителя применяют необожженный доломит, хромит, сульфат и (или) карбонат металла, например магния, кальция, стронция, бария, цинка или алюминия. В качестве наполнителя используют периклаз, хромит, огнеупорные отходы, огнеупорный оксид, углеродсодержащий компонент, карбид и (или) нитрид алюминия, кремния, титана (PCT 90/13526 A1, опубл. 15.11.1990, C 04 B 35/66, 29 с.).

Однако в данном случае при получении огнеупора оксид алюминия в процессе синтеза расплавляется, образуя мулито-корундовые составляющие, что ведет к низкой термичности и слабой огнеупорности. Из такой массы трудно получить качественный раствор, образующий шов, прочно сцепляющий его с кирпичной кладкой. Задачей предлагаемого изобретения является создание экзотермического огнеупорного мертеля высокой термичности для получения керамической связки повышенной огнеупорности.

Поставленная задача достигается тем, что экзотермический огнеупорный мертель, включающий оксид железа, глинозем, алюминий, огнеупорную глину, гипс, отличается тем, что он дополнительно содержит триполифосфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
оксид железа - 22-40
алюминий - 17-29
огнеупорная глина - 15-23
глинозем - 5-22
гипс 4-15
триполифосфат натрия - 1-3
Сущность изобретения заключается в следующем.

Предлагаемый мертель получают простым смешиванием и увлажнением компонентов.

Полученный огнеупорный раствор наносят на кирпич в процессе кладки. При инициировании процессов CBC происходит спекание огнеупорного мертеля с образованием керамической связки.

Использование термитной составляющей и гипса в составе огнеупорного мертеля приводит к тому, что для CBC имеют место реакции
3CaSO₄ + 8Al = 3CaS + 4Al₂O₃ (1),
Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃ (2)
Наличие огнеупорной глины, содержащей в виде примесей кварцевый песок, при избытке алюминия в составе мертеля приводит к возникновению реакции
3SiO₂ + 4Al = 3Si + 2Al₂O₃ (3)
С позиций термодинамики предпочтительнее протекание реакции 1, затем 2 и наконец 3.

При содержании алюминия в составе мертеля более 22%, в силу вступают реакции (1) и (2). Термичность мертеля в этом случае превышает оптимальный уровень (2800-3000 кДж/кг). В результате реакций СВС образуется керамическая связка, имеющая повышенную пористость, снижающая ее прочность. В продуктах реакции может оставаться алюминий, что приводит к его перерасходу.

При содержании алюминия в составе мертеля менее 17% его термичность недостаточна. В результате снижается огнеупорность шва, нарушается синхронность термических расширений шва и связываемых кирпичей, что приводит к растрескиванию швов образующейся в ходе синтеза керамической связки.

При избытке оксида железа Fe₂O₃ (свыше 40%) в составе экзотермического огнеупорного мертеля происходит очень бурное алюминотермическое восстановление по реакции (2). Образующаяся керамическая связка имеет очень высокую пористость из-за значительной огневой усадки шва. С уменьшением содержания оксида железа (менее 22%) соответственно возрастают доли огнеупорной глины, гипса, глинозема. В результате возрастает роль реакций (1) и (3). Это приведет к дополнительному расходу тепла и должно сопровождаться дополнительным расходом алюминия. При таком содержании оксида железа Fe₂O₃ в мертеле возникает разница в термическом расширении кирпичной кладки и шва кладки, состоящего из полученного в ходе СВС продукта.

Известно, что при использовании такого воздушно-вяжущего вещества как гипс, максимальное его количество в составе смесей определяется его схватываемостью и скоростью твердения. Поэтому, в случае использования полуводного гипса CaSO₄ 5H₂O более 15% (в оптимальных по влажности условиях) скорость твердения раствора мертеля очень высока и не позволяет вести кладочные работы из-за чрезвычайно быстрого обезвоживания и отслаивания раствора. Со снижением содержания гипса (менее 4%) в составе мертеля схватываемость его раствора недостаточна и не обеспечивает связывания кирпичной кладки.

Применение такого замедлителя скорости твердения гипса как триполифосфат натрия эффективно в интервале от 1 до 3% в составе мертеля. При содержании триполифосфата натрия более 3% раствор мертеля (при оптимальной влажности) неустойчив из-за излишнего количества жидкой фазы. При этом снижается качество шва кладки из-за невозможности выдерживать необходимую толщину шва. При содержании триполифосфата натрия менее 1% раствор теряет пластичность, обезвоживаясь раньше времени. Наблюдается расслаивание раствора при его укладке.

При количестве огнеупорной глины в мертеле, превышающем 23%, шов кладки характеризуется повышенной огневой усадкой. Образующаяся в ходе реакций СВС керамическая связка имеет повышенную пористость, снижающую ее прочность. При количестве глины менее 15% соответственно возрастает доля глинозема и других компонентов, что приводит к неоптимальному составу керамической связки и возникновению разницы термических расширений шва и кирпичной кладки.

Содержание глинозема в составе мертеля более 22% снижает его термичность ниже оптимального уровня, а менее 5% - наблюдается значительная усадка шва, снижающая его механическую прочность.

Новый технический результат при использовании заявляемого экзотермического огнеупорного мертеля состоит в связывании огнеупоров (отдельных кирпичей) керамической связкой, образующейся в ходе реакций GBC веществ, входящих в состав мертеля при последующем нагреве огнеупорной футеровки до рабочих температур.

Особенностью заявляемого мертеля является совмещение свойств кладочного раствора (кирпичной кладки), удовлетворяющее требованиям качества огнеупорных растворов при проведении работ, и свойств керамической связки, образующейся в ходе СВС, последующем нагреве кладки и работе ее в области высоких температур.

Экзотермический огнеупорный мертель получали следующим образом.

Смесь, состоящую из компонентов, мас.%:
оксид железа - 30
алюминий - 18
огнеупорная глина - 20
глинозем - 14
гипс - 15
триполифосфат натрия - 3
перемешивали и увлажняли. Затем огнеупорный раствор наносили на кирпич (при надавливании кирпичом на раствор, он должен заполнять все неровности и углубления на поверхности кирпичей и обеспечивать легкое перемещение кирпичей по раствору). При инициировании процессов CBC происходило спекание экзотермического огнеупорного мертеля в швах кладки с образованием керамической связки, скрепляющей кирпичи кладки.

Термичность мертеля составляла 3071 кДж/кг, а огнеупорность керамической связки: температура начала плавления - 1330^oC, конца плавления - 1900^oC.

Таким образом, в предлагаемых составах мертелей
термичность составляла 2885 - 3270 кДж/кг;
огнеупорность составляла:
температура начала плавления 1280 - 1500^oC,
температура конца плавления 1700 - 1900^oC.

Заявляемый экзотермический огнеупорный мертель промышленно применим.

Формула изобретения

Экзотермический огнеупорный мертель, включающий оксид железа, глинозем, алюминий, огнеупорную глину, гипс, отличающийся тем, что он дополнительно содержит триполифосфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид железа - 22 - 40
Алюминий - 17 - 29
Огнеупорная глина - 15 - 23
Глинозем - 5 - 22
Гипс - 4 - 15
Триполифосфат натрия - 1 - 3