Учебное пособие 800576

Впоследнее время широкое распространение получили бетоны на фос-

фатных связках. Это объясняется тем, что они обладают достаточно высокой прочностью при температурах 400…1000 0С, то есть в интервале температур, при котором прочность обычных бетонов невысока.

Внастоящее время на основе ортофосфорной кислоты (Н3РО4) изготовляют различные химические связки. Наибольшее распространение в производ-

стве огнеупорных бетонов получили алюмофосфатные Al(H2PO4)3 и магний фосфатные связки.

Область применения огнеупорных бетонов довольно обширна. Например, бетоны на портландцементе можно применять для монтажа стен и сводов зоны подогрева и охлаждения туннельных печей для производства керамических изделий, в печах беспламенного горения нефтеперерабатывающих заводов, в топках паровых котлов. Бетоны на глиноземистом и высокоглиноземистом цементах с шамотом применяют для изоляции охладителей на сводах сталеплавильных печей, бетоны на периклазовом цементе – в отдельных узлах мартеновских печей. Огнеупорные бетоны на фосфатных связках используют в качестве футеровки воздухонагревателей доменных печей, передних стенок вертикальных каналов мартеновских печей, индукционных печей для плавки серебра, цинка, меди и алюминиевых сплавов.

Набивные массы

Набивные массы – смеси огнеупорных материалов, применяемые в сухом или увлажненном виде для выполнения футеровок вместо огнеупорных изделий в том случае, когда агрегаты или их части имеют сложную конфигурацию.

Порошки для набивных масс приготавливают в основном так же, как для соответствующих обжиговых изделий. Иногда в состав массы вводят легкоплавкие добавки, упрочняющие массу за счет спекания уже при низких температурах.

Преимуществом набивных масс по сравнению с другими огнеупорными материалами является отсутствие швов в футеровке. Однако, на набивку, сушку и нагрев футеровок в этом случае требуется более продолжительное время, чем на выполнение футеровок из обжиговых изделий.

Набивные массы, как и любой безобжиговый огнеупорный материал, при нагреве до рабочих температур должны иметь лишь минимальную усадку. Чтобы компенсировать достаточно высокую усадку масс в них вводят добавки, при нагревании увеличивающиеся в объеме. Например, в полукислые массы вводят кварц, в высокоглиноземистые – корунд.

Основные свойства и область применения набивных масс приведены в табл. 4.18.

192

4.3. Общие сведения о химически стойких материалах, их классификация и разновидности

4.3.1. Общие сведения и классификация химически стойких материалов

Для обеспечения непрерывно увеличивающегося производства различных химических продуктов требуется значительное количество антикоррозионных материалов.

Химически стойкие материалы применяют для футеровки различных аппаратов и емкостей (резервуары, реакционные ванны и др.), для защиты строительных конструкций, а также для изготовления аппаратов и устройств, в которых транспортируют агрессивные жидкости и газы [7, 11].

Химически стойкие изделия обладают высокой стойкостью к воздействию большинства кислот, поэтому их также называют кислотоупорными.

193

Классифицируют химически стойкие изделия по виду материала, из которого их изготовляют:

химически стойкие изделия из природных каменных материалов;

химически стойкие изделия из ситаллов, шлакоситаллов и каменного литья;

химически стойкие изделия на основе керамики;

химически стойкие изделия на основе жидкого стекла;

химически стойкие изделия из кислотоупорного цемента и бетона.

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

ишлакоситаллов, 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

194

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.

Встроительстве 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 шлакоси-

таллы 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.

Взависимости 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

195

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].

4.3.2.3. Химически стойкие изделия на основе керамики

Химически стойкие керамические изделия отличаются способностью противостоять длительному воздействию различных химических агентов в жидкой и газообразной фазе, а также переменным воздействиям нагрева и охлаждения. Такие изделия характеризуются повышенной плотностью черепка, которая обеспечивает высокую механическую прочность и непроницаемость изделий для жидкостей и газов [21].

Основным сырьем для изготовления керамических кислотоупоров служат спекающиеся тугоплавкие и огнеупорные глины. Для фарфоровых масс и для регулирования свойств керамических кислотоупорных масс применяют также каолин.

В качестве добавок, регулирующих реологические свойства масс, используют плавни (полевые шпаты, пегматит, нефелин-сиенит, отходы полевошпатных пород), отощители (шамот, бой кислотоупорных и фарфоровых изделий) и др.

В качестве материалов, повышающих механическую прочность и теплопроводность изделий, применяют глинозем, карборунд, электрокорунд. Повышение термических свойств достигается введением в массу талька, дунита и карборунда.

196

Большинство керамических химически стойких изделий хорошо противостоит действию неорганических и органических кислот (кроме фтористоводородной и горячей фосфорной) и значительно хуже растворов щелочей.

Керамические химически стойкие изделия по структуре черепка подразделяются на две основные группы:

с грубозернистым черепком (кислотоупорные кирпичи и плитки, термокислотоупорные плитки и др.);

с тонкозернистым черепком (кислотоупорные трубы и фасонные части к ним, различная аппаратура и ее детали – сосуды, насосы, сифоны). Качество керамических кислотоупорных изделий во многом определяется

правильной дозировкой исходных компонентов и тщательным их смешением. Приготовленная масса должна быть однородной с равномерным распределением отощающих материалов и плавней между частицами глинистых компонентов, а также должна иметь одинаковую влажность во всех своих частях.

Взависимости от вида и состава шихты, а также метода их формования в производстве кислотоупоров применяют следующие способы приготовления массы: пластический, полусухой и шликерный.

Пластический способ приготовления масс имеет самое широкое распространение. Этот метод применяют при производстве кирпича, плиток и многих видов керамической химической аппаратуры. Способом полусухого прессования изготавливают кислотоупорные кирпичи и плитки. Для изготовления химической аппаратуры повышенной плотности применяют шликерный способ подготовки.

Взависимости от вида химически стойких изделий и способа подготовки массы формование осуществляется следующими способами:

пластическим формованием на вакуум-прессах без последующей допрессовки или с допрессовкой на механических прессах (кирпичи, плитки, трубы, заготовки для формования химической аппаратуры);

полусухим прессованием на механических прессах (кирпичи, плитки);

литьем в гипсовые формы (химическая аппаратура из фарфоровых масс). Отформованные керамические химически стойкие изделия подвергают

сушке в сушилках камерного и туннельного типа, в которых в качестве теплоносителя используются нагретые газы или горячий воздух. Получила широкое распространение радиационная сушка лампами инфракрасного излучения.

Обжигают химически стойкие изделия в основном в печах туннельного типа. Для керамических кислотоупоров температура обжига составляет 1180…1280 0С, для фарфоровых изделий – 1320…1410 0С.

Свойства кислотоупорных керамических изделий приведены в табл. 4.19.

197

Кислотоупорный кирпич изготавливается четырех форм: прямой размером 230×113×65 мм, клиновой (торцовый и ребровый) размером 230×113×65×55 мм, радиальный (поперечный и продольный) и фасонный.

Основным сырьем для изготовления кислотоупорного кирпича служат спекающиеся при 1100…1250 0С тугоплавкие и огнеупорные глины. Обычно такие глины являются среднеили умереннопластичными, поэтому в зависимости от их пластичности, величины воздушной и огневой усадки в массу вводят

20…40 % шамота.

Основными свойствами кирпича являются кислотостойкость (не менее 96…98,5 %), прочность при сжатии (35…60 МПа) и термическая стойкость (5…25 теплосмен).

Применяют кислотоупорный кирпич для футеровки аппаратов больших размеров (башни, резервуары), желобов, газоходов на химических заводах, а также для кладки фундаментов аппаратов, колонок, выкладки решеток в нижней части башен.

Кислотоупорные плитки получают из кислотоупорных масс, в которые вводят шамот размером 2…3 мм. В некоторые массы с целью получения заданной плотности и прочности вводят пирофиллит, пегматит и другие компоненты.

Кислотоупорные плитки производятся шести марок: кислотоупорные фарфоровые – КФ, термокислотоупорные дунитовые – ТКД, термокислотоупорные для гидролизной промышленности – ТКГ, кислотоупорные для строительных конструкций – КС, кислотоупорные шамотные – КШ и термокислотоупорные шамотные – КШ. В табл. 4.20 приведены составы плиточных масс.

Термическая стойкость – количество теплосмен последовательного нагрева материала до 350 0С и охлаждения в проточной воде.

198

По форме плитки бывают: квадратные плоские, квадратные радиальные, прямоугольные, клиновые и спаренные. С одной стороны плитки имеют ребристую поверхность, обеспечивающую лучшее сцепление с футеруемой конструкцией. Размеры плиток меняются в пределах: длина и ширина – 50…200 мм, толщина – 10…50 мм.

Основные свойства плиток различных марок приведены в табл. 4.21.

Помимо свойств, перечисленных в табл. 4.21, плитки должны иметь правильную форму, четкие грани. Рабочая сторона должна быть гладкая, без впадин, выпуклостей. В изломе плитки должны иметь мелкозернистое строение, без пустот, трещин и посечек.

Кислотоупорные плитки применяют для футеровки аппаратов, работаю-

199

щих без резких температурных перепадов, различных емкостей, а также для покрытия полов, облицовки стен, желобов и др.

Термокислотоупорные плитки применяют для футеровки варочных котлов сульфатцеллюлозной и гидролизной промышленности и некоторых других аппаратов, работающих при переменном температурном режиме.

Изделия для химической аппаратуры в зависимости от вида и назначе-

ния изготавливают из тонкозернистых шамотированных масс с добавкой плавней для повышения их плотности, прочности и кислотоустойчивости.

В зависимости от размеров и формы изделия формуют следующими способами:

1)пластическим формованием на вакуум-прессах;

2)формованием в гипсовых формах;

3)формованием в вакуум-прессах с доформовкой в гипсовых формах или обточкой на токарных станках;

4)литьем в гипсовые формы.

Изделия химической аппаратуры по конструкции и условиям эксплуатации подразделяются на два типа:

-аппараты без движущихся частей (различные емкости, башни, теплообменники и др.);

-аппараты с движущимися частями (реакционные аппараты с мешалками, насосы, эксгаустеры и др.).

К аппаратам без движущихся частей относятся аппараты открытого и закрытого типа, аппараты, работающие под давлением или вакуумом, теплообменная аппаратура, трубы и арматура. К аппаратам открытого типа относятся различные сосуды, котлы, ванны и др. (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Керамическая химически стойкая аппаратура открытого типа:

а– сосуд цилиндрической формы; б – котел; в – чаша;

г– сосуд конический; д – ванна

Сосуды цилиндрические и конические применяют для хранения агрессивных жидкостей. Их изготавливают различных емкостей – от 5 до 200 л. Ванны керамические применяют для отстоя, кристаллизации, приготовления рас-

200