ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЙ И ТЕПЛОПРОВОДНЫЙ БЕТОНЫ НА АЛЮМОФОСФАТНОЙ СВЯЗКЕ (ВАРИАНТЫ)
HEAT-INSULATING AND HEAT-CONDUCTING CONCRETE BASED ON ALUMINOPHOSPHATE BINDER (VERSIONS)

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, в частности к производству огнеупорных высокопрочных неэлектропроводных изделий из корундовых и карбидокремниевых бетонов на алюмофосфатной связке.
Известен состав по патенту №2365561 от 11.12.2007, МПК С04В 35/10. Масса для изготовления огнеупорных теплоизоляционных материалов и изделий включает связующее на основе алюмофосфатов и шихту в виде смеси из огнеупорного наполнителя, выбранного из группы оксидов алюминия и алюмосиликатов, и одного или двух выбранных из группы сложных оксидов магния, железа, кремния и алюминия (вермикулит-перлит) при следующем соотношении компонентов, мас.%: шихта - 35-85; фосфатная суспензия - 15-65. В качестве связующего масса содержит адгезию на основе алюмоборфосфатного или алюмохромфосфатного связующего с алюмосиликатным огнеупорным наполнителем фракции 0,125-0 мм в количестве 0,1-15% от массы суспензии, при следующем соотношении компонентов шихты: для смеси из огнеупорного наполнителя с перлитом массовые части составляют соответственно 1,0 и 0,04-4,0; для смеси из огнеупорного наполнителя с вермикулитом массовые части составляют соответственно 1,0 и 0,05-2,5; для смеси из огнеупорного наполнителя с перлитом и вермикулитом массовые части составляют соответственно 1,0 - для наполнителя, 3,95-0,05 - для перлита, 0,05-2,45 - для вермикулита.
Недостатки вещества:
- связующее на алюмофосфатах при обжиге смеси всегда выделяют низкотемпературные вещества - хром, бор, что приводит к загрязнению изделий и собственно футеровки,
- алюмосиликаты и оксиды алюминия относятся к разным группам по химическому взаимодействию с фосфатными связующими и резко снижают характеристики образующегося кристаллического ортофосфата алюминия в виде связки.
Известен состав вещества по патенту №2365562 от 13.07.2007, МПК С04В 35/66, С04В 35/103. Огнеупорная масса содержит, мас.%: графит 5÷8; фосфатный пластификатор 5÷10; мелкозернистый огнеупорный порошковый наполнитель из группы: белый электрокорунд, шамот зернистостью менее 63 мкм 4÷25; органические волокна 0,05÷0,15; отходы производства углеродистого передельного феррохрома 2÷6; порошковый заполнитель из группы: белый электрокорунд, карбид кремния или шамот зернистостью 6÷0,5 мм - остальное.
Недостатки огнеупорной массы - наличие графита и органического волокна, повышающих пористость массы при последующем обжиге, существенно снижают гомогенность массы из-за различной плотности по сравнению с наполнителем и при обжиге вещества их отходы сгорания загрязняют и повышают теплопроводность и электропроводность.
Состав порошкового наполнителя из электрокорунда, карбида кремния и алюмосиликатов не может быть гомогенизирован по требуемым характеристикам огнеупорности, теплопроводности и прочности.
2
3
2
2
Известен состав вещества по патенту №2245864 от 09.07.2003 г., МПК С04В 35/106, выбранный в качестве прототипа. На стадии подготовки шихты поверхность сфероидных частиц электрокорундового наполнителя смачивают олеиновой или стеариновой кислотой в количестве 0,5-1,0% от общего количества фосфатного связующего. В процессе смешивания вводят дискретно фосфатное связующее и мелкодисперсную смесь совместного помола, содержащую компоненты, мас.%: AlO - 47-80, ZrO·SiO - 20-53, при содержании компонентов в шихте, мас.%:
- электрокорундовый наполнитель - 50-70,
- мелкодисперсная смесь совместного помола - 30-50,
- фосфатное связующее сверх 100% 5-10.
Шихту гомогенизируют, формуют, осуществляют воздушное твердение заготовок, обжигают при температуре разложения цирконового концентрата и охлаждают с изотермической выдержкой в интервале температур 1100-900°C. Фракционный состав электрокорундового наполнителя находится в пределах 0,1-3 мм. Размер частиц мелкодисперсной смеси совместного помола составляет 0,002-0,005 мм. В качестве фосфатного связующего используют ортофосфорную кислоту.
Недостатки вещества:
- дополнительное смачивание шихты олеиновой или стеариновой кислотой,
- дискретный ввод фосфатного связующего в виде дополнительной операции,
- наличие дополнительной операции в виде совместного помола для получения мелкодисперсной смеси,
2
2
- наличие нейтрального к ортофосфорной кислоте мелкодисперсного наполнителя в виде ZrO·SiO резко снижает прочность.
Задача предлагаемого изобретения - создание формованных теплоизолирующих и теплопроводных бетонов на алюмофосфатной связке с высокими прочностными характеристиками, позволяющими применять бетоны в качестве конструкционных материалов, работающих при высоких температурах.
Теплоизолирующий бетон на алюмофосфатной связке, включает фосфатное связующее и смесь. В качестве фосфатного связующего используют ортофосфорную кислоту концентрацией 65-75%, а в качестве смеси используют смесь разных фракций электрокорунда марки 25А, при следующем соотношении компонентов по FEPA 32GB 1971, мас.%:
- для корундового теплоизолирующего бетона использован состав, мас.% по FEPA 32GB 1971
- электрокорунд марки 25А
32-36 мас.% фракции 20
22-24 мас.% фракции 46
15-20 мас.% фракции 80
25-35 мас.% фракции 220
- ортофосфорная кислота концентрацией 70% в количестве 10-12
сверх 100 мас.%
Теплопроводный бетон на алюмофосфатной связке включает фосфатное связующее и смесь. В качестве фосфатного связующего используют ортофосфорную кислоту концентрацией 65-75%, а в качестве смеси используют смесь электрокорунда марки 25А фракции 220 и дополнительно смесь карбида кремния марки 53С, при следующем соотношении компонентов по FEPA 32GB 1971, мас.%:
- для карбидокремниевого теплопроводного бетона марки 63С, мас.% по FEPA 32GB 1971
- электрокорунд марки 25А
- 25-35 мас.% фракции 220
- карбид кремния SiC марки 63С
- 32-36 мас.% фракции 20
- 18-26 мас.% фракции 46
- 15-20 мас.% фракции 80
- ортофосфорная кислота концентрацией 70% в количестве 10-12
сверх 100 мас.%
Для всех заявляемых составов способ получения бетонов на алюмофосфатной связке одинаков. Смесь из наполнителя заявляемых фракций и ортофосфорная кислота 70% концентрации смешиваются до гомогенного состояния и заливаются в формы. Последующий низкотемпературный обжиг формирует прочные огнеупорные изделия из бетонов на алюмофосфатной связке, в качестве которой выступает кристаллический ортофосфат алюминия.
В Таблице 1 показаны теплоизолирующие неэлектропроводные корундовые бетоны. Данные для бетонов при температуре +1000°C.
В Таблице 2 показаны теплопроводные неэлектропроводные бетоны. Данные для бетонов при температуре +1000°C.
Фракционный состав вещества бетона во многом определяет его теплофизические и прочностные характеристики, что связано с плотностью упаковки зерен смеси наполнителя в объеме. При одинаковой огнестойкости корундовых бетонов на алюмофосфатной связке (Таблица 1) теплоизолирующий бетон Состава 1 имеет минимально допустимую прочность, среднюю пористость и высокую для огнеупоров теплопроводность. Сравнимые характеристики показывает бетон Состава 3 с более высокой пористостью. Для бетона Состава 2 теплофизические и прочностные характеристики имеют значения, близкие к оптимальным, - высокую огнестойкость, максимальную прочность, минимальные значения теплопроводности и пористости.
Аналогичное распределение характеристик в зависимости от состава показывают карбидокремниевые составы на алюмофосфатной связке (Таблица 2). При одинаковой огнестойкости бетон Состава 1 имеет меньшую прочность и меньшую теплопроводность. Бетон Состава 3 показывает близкие характеристики. Для бетона Состава 2 теплофизические и прочностные характеристики имеют значения, близкие к оптимальным, - высокую огнестойкость, максимальную прочность и теплопроводность, минимальное значение пористости.
Таблица 1
Фракционный состав электрокорунда
Состав 1, мас.%
Состав 2, мас.%
Состав 3, мас.%
FEPA 20
28
36
36
FEPA 46
22
17
24
FEPA 80
15
17
20
FEPA 220
25
30
35
Ортофосфорная кислота сверх 100%
10
10
12
Прочность на сжатие *)
68 МПа
75 МПа
70 МПа
Пористость, % *)
14
8
18
Огнестойкость, °C *)
1800
1800
1800
Теплопроводность, Вт/(м·град) *)
0,43
0,24
0,43
Электропроводность *)
диэлектрик
диэлектрик
диэлектрик
*) - данные для бетонов при температуре +1000°C
Таблица 2.
Фракционный состав
Состав 1, мас.%
Состав 2, мас.%
Состав 3, мас.%
Карбид кремния FEPA 20
32
34
36
Карбид кремния FEPA 46
18
19
26
Карбид кремния FEPA 80
15
17
20
Электрокорунд FEPA 220
25
30
35
Ортофосфорная кислота сверх 100%
10
10
12
Прочность на сжатие *)
64 МПа
75 МПа
68 МПа
Пористость, % *)
12
8
24
Огнестойкость, °C*)
1100
1100
1100
Теплопроводность, Вт/(м·град) *)
21
26
18
Электропроводность *)
диэлектрик
диэлектрик
диэлектрик
*) - данные для бетонов при температуре +1000°C