4.3.2. Разновидности химически стойких материалов

4.3.2.1. Химически стойкие изделия из природных каменных материалов

Некоторые магматические и метаморфические горные породы используют для футеровки разнообразных установок и аппаратов, подвергающихся действию кислот, щелочей, солей и агрессивных газов, а также испытывающих влияние резко изменяющихся температур и давлений.

Кислотоупорные породы идут на изготовление тесаных плит, кирпичей, брусков и фасонных изделий, а в дробленном и тонкомолотом виде служат в качестве заполнителей и наполнителей в кислотоупорных растворах и бетонах, мастиках, замазках, шпаклевках и др.

Для защиты конструкций зданий и аппаратов от кислот (кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) применяют изделия из гранита, сиенита, диорита, базальта, кремнистого песчаника, кварцита. Щелочную среду хорошо выдерживают изделия из плотных известняков, мраморов, магнезитов и известковых песчаников.

Важным условием длительной службы каменных материалов в агрессивных средах является их весьма высокая средняя плотность. При эксплуатации в агрессивных условиях они должны иметь среднюю плотность не менее 2300 кг/м³ и предел прочности при сжатии не менее 30 МПа для осадочных и не менее 100 МПа для магматических пород, коэффициенты размягчения – 0,8…0,9, кислотостойкость – не менее 93…95 %.

Однако применение кислотоупорных штучных изделий из природного камня ограничено их высокой стоимостью, обусловленной трудностью добычи и обработки, а также малым выходом готовой продукции из горной массы [5, 6].

4.3.2.2. Химически стойкие изделия на основе ситаллов

и шлакоситаллов, каменного литья

Наибольшую эффективность применения в качестве кислотоупорных материалов получили изделия на основе ситаллов и шлакоситаллов, а также каменного литья.

Ситаллы (название произошло от сокращения двух слов – силикат и кристалл) представляют собой стеклокристаллические материалы, полученные из стеклянных расплавов путем их полной или частичной кристаллизации. Структура ситаллов состоит из мелких (1…2 мкм) кристаллов, между которыми находится прослойка стекловидной фазы. Объем кристаллической фазы в ситаллах достигает 90…95 %.

Сырьем для производства ситаллов являются те же природные материалы, что и для получения стекла (кварцевый песок, сода, доломит, известняк, поташ, сульфат натрия и др.), но к их чистоте предъявляются очень высокие требования. Кроме того, в расплав вводят добавки, катализирующие кристаллизацию при последующей термообработке (соединения фторидов или фосфатов щелочных и щелочноземельных металлов).

Технология производства изделий из ситаллов в принципе не отличается от технологии производства изделий из стекла. Здесь также используют операции подготовки сырьевых материалов, дозирования и перемешивания, варки стекла, формования изделий, отжига и закалки. Отличие лишь в дополнительной термической обработке стекла в кристаллизаторе.

Обладая поликристаллическим строением, ситаллы, сохраняя положительные свойства стекла, лишены его недостатков: хрупкости, малой прочности при изгибе, низкой теплостойкости. По своим физико-техническим свойствам ситаллы сравнимы с металлами. Прочность ситаллов при сжатии до 500 МПа. Твердость ситаллов приближается к твердости закаленной стали. Ситаллы имеют высокую стойкость к воздействию сильных кислот (кроме плавиковой) и щелочей.

В строительстве ситаллы используются для устройства полов промышленных цехов, в которых могут быть проливы кислот, щелочей, расплавов металлов, а также движение тяжелых машин. Высокую технико-экономическую эффективность дает применение ситаллов для изготовления химической аппаратуры и труб для транспортировки высоко агрессивных сред и теплообменников.

Шлакоситаллы – стеклокристаллические материалы, получаемые путем управляемой кристаллизации стекла, полученного на основе металлургических шлаков, кварцевого песка и некоторых добавок. По внешнему виду шлакоситаллы представляют собой плотные, тонкозернистые и непрозрачные материалы. Средняя плотность шлакоситаллов – 2500…2700 кг/м³, предел прочности при сжатии – до 650 МПа, при изгибе – до 120 МПа, термическая стойкость – до 750 ⁰С, водопоглощение близкое к 0 %.

Литые каменные изделия изготовляют из расплавов горных пород или шлаков литьем в формы с последующей термической обработкой. По своей однородности и техническим свойствам литые изделия превосходят многие самые прочные природные каменные материалы.

В зависимости от используемого сырья каменное литье бывает темного и светлого цвета. Для получения изделий темного цвета применяются магматические горные породы – базальты и диабазы, а также доменные, мартеновские шлаки и шлаки цветной металлургии. Для получения светлого каменного литья используют осадочные горные породы – доломит, известняк, мрамор и кварцевый песок.

Технология получения литых изделий включает подготовку сырьевых материалов (дробление, помол, перемешивание), плавление, отливку изделий, кристаллизацию и отжиг. Плавление диабаза и базальта чаще всего производят в ванных печах или вагранках при температуре 1400…1500 ⁰С, а при изготовлении светлого каменного литья – в электропечах.

Плотные литые каменные изделия имеют: пористость не более 2 %, среднюю плотность – 2900…3000 кг/м³, высокую морозостойкость, прочность при сжатии – 200…240 МПа и при растяжении – 20…30 МПа; истираемость в 5 раз меньше, чем у гранита, базальта и диабаза; высокую химическую стойкость, в том числе к воздействию концентрированных серной и соляной кислот.

В строительстве литые каменные изделия используют в особо тяжелых условиях эксплуатации (брусчатка для дорог, трубы для транспортирования агрессивных сред, облицовочные плитки для предприятий химической промышленности).

Стоимость каменного литья, особенно светлого, как и ситаллов, сравнительно высока, но производство и применение с учетом их долговечности оказываются экономически выгодными [5].