Зносо-термостійкі композиційні матеріали на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих - Автореферат

Застосування таких матеріалів для футерування обертових печей, сушильних камер, теплообмінників - тобто, теплових агрегатів, експлуатація яких повязана з одночасним впливом змінних температур та абразивної дії матеріалу, що випалюється, - дозволить суттєво підвищити їх продуктивність та ефективність використання, а також буде сприяти збільшенню терміну експлуатації. Встановити закономірності формування в лужних алюмосилікатних вяжучих цеолітоподібних новоутворень з високою термостабільністю (гідросодаліту, морденіту, цеоліту NAY), і одержати на їх основі при використанні абразивних наповнювачів та заповнювачів композиційні матеріали, що відрізняються підвищеною зносо-і термостійкістю. Наукова новизна одержаних результатів: теоретично обгрунтовано та практично підтверджено можливість одержання в системі Na2O-Al2O3-SIO2-H2O композиційних матеріалів поліфункціонального призначення з підвищеними зносо-та термостійкістю за рахунок направленого синтезу в складі продуктів гідратації цеолітоподібних новоутворень типу гідросодаліту, морденіту, цеоліту NAY, які характеризуються підвищеною термостабільністю в інтервалі температур 75-8000С; теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено доцільність використання карбіду кремнію як модифікуючої добавки в лужних алюмосилікатних вяжучих, що дозволяє підвищити стабільність мікроструктури штучного каменю в інтервалі температур 75-8000С за рахунок збільшення відношення оксидів SIO2/Al2O3 в складі цеолітоподібних новоутворень, що синтезуються; Встановлено доцільність введення до складу вяжучого тонкомеленого карбіду кремнію як модифікуючої добавки, що підвищує міцність та залишкову міцність композиту.На основі вяжучого оптимального складу відповідно до плану двофакторного трьохрівневого експерименту було розроблено склади дрібнозернистих жаростійких бетонів, в яких як наповнювач був використаний тонкомелений карбід кремнію, а як заповнювач - корунд, мулітокорунд або шамот фракції 0,63 - 2,5 мм. Вміст добавки SIC у вяжучому прийнятий з урахуванням результатів раніше проведених досліджень і становить (20-40)%; кількість заповнювача - (40-60)% вибрано виходячи з вимог рухливості бетонної суміші. На підставі отриманих даних щодо міцності після сушки і залишкової міцності після випалу при 8000С розраховано рівняння регресії і побудовано ізопараметричні діаграми зміни міцності при стиску і залишкової міцності бетону в залежності від його складу. Виходячи з аналізу отриманих результатів, можна зазначити, що бетони, які містять як заповнювач корунд, відрізняються підвищеною міцністю при стиску (до 68,5МПА), але недостатньо високою залишковою міцністю (45-47%). Аналіз кривих розподілу основних елементів за профілем зразка дозволяє стверджувати, що взаємодія поверхні заповнювача з лужною алюмосилікатною матрицею призводить до виникнення контактної зони шириною 36-48мкм.Здійснено модифікування реакційної алюмосилікатної суміші карбідом кремнію і показано, що ефективне регулювання міцності при стиску і залишкової міцності штучного каменю після випалу в інтервалі температур 200-8000С можливе при введенні до складу вяжучого 25-30% карбіду кремнію, причому останній відіграє роль не тільки модифікатора, але і наповнювача, сприяє формуванню структури конгломерату на рівні 40-50мкм. З застосуванням електронномікроскопічного і електроннозондового методів аналізу вивчені будова і склад контактної зони “вяжуче - карбід кремнію” і “вяжуче - корунд”, встановлено розподіл основних елементів (натрію, алюмінію і кремнію) за профілем контактної зони. Показано, що взаємодія матриці та заповнювача в даних системах протікає дуже активно і забезпечує утворення широкої контактної зони (ширина контактної зони між вяжучим та частинкою карбіду кремнію складає 20-24мкм, а навколо частинки корунду - 24-36мкм), яка сприяє рівномірному розподілу внутрішніх напружень у тілі матеріалу, і, як наслідок, підвищенню міцності та термостійкості бетону в цілому. З застосуванням основних положень поліструктурної теорії побудови композиційних матеріалів розроблено й оптимізовано склади зносо-термостійких бетонів на основі лужного алюмосилікатного вяжучого з використанням як наповнювача карбіду кремнію, а як заповнювача - плавленого електрокорунду, мулітокорунду і шамоту. Показано, що отримані склади бетонів на основі лужного алюмосилікатного вяжучого і шамоту характеризуються високою термостійкістю і стабільністю міцносних характеристик в інтервалі температур 75-8000С, причому, міцність при стиску після сушки при 750С складає 55-60МПА.

Вперше встановлено принципову можливість використання лужних алюмосилікатних вяжучих визначеного складу для одержання зносо- термостійких матеріалів.

Вивчено вплив співвідношення оксидів у реакційній суміші на склад гідратних фаз, що формуються. Показано, що збільшення в реакційній суміші відношення оксидів Na2O/Al2O3 призводить до прискорення взаємодії між компонентами вяжучого і сприяє синтезу новоутворень, збіднених на кремнезем (анальцим і цеоліт Р заміщують цеоліт NAY). Встановлено наявність тенденції до зміни складу гідратних новоутворень в залежності від відношення оксидів SIO2/Al2O3 у складі реакційної суміші: зокрема, при збільшенні даного відношення від 2 до 4 спостерігається ускладнення структури алюмосилікатного каркасу гідратних фаз і зниження ступеня закристалізованості новоутворень. Підвищення відношення H2O/Al2O3 викликає зміщення рівноваги у напрямку кристалізації фаз із підвищеним відношенням SIO2/Al2O3 і збільшення розмірів кристалів.

З застосуванням математичних методів планування експерименту оптимізовано склад лужних алюмосилікатних вяжучих за критеріями міцності і переважної кристалізації термостабільних цеолітів, що досягається при такому співвідношенні оксидів у реакційній суміші: Na2O/Al2O3 = 0,6-0,75; SIO2/Al2O3 = 3,4-3,7; H2O/Al2O3 = 8-10.

Здійснено модифікування реакційної алюмосилікатної суміші карбідом кремнію і показано, що ефективне регулювання міцності при стиску і залишкової міцності штучного каменю після випалу в інтервалі температур 200-8000С можливе при введенні до складу вяжучого 25-30% карбіду кремнію, причому останній відіграє роль не тільки модифікатора, але і наповнювача, сприяє формуванню структури конгломерату на рівні 40-50мкм.

З застосуванням електронномікроскопічного і електроннозондового методів аналізу вивчені будова і склад контактної зони “вяжуче - карбід кремнію” і “вяжуче - корунд”, встановлено розподіл основних елементів (натрію, алюмінію і кремнію) за профілем контактної зони. Показано, що взаємодія матриці та заповнювача в даних системах протікає дуже активно і забезпечує утворення широкої контактної зони (ширина контактної зони між вяжучим та частинкою карбіду кремнію складає 20-24мкм, а навколо частинки корунду - 24-36мкм), яка сприяє рівномірному розподілу внутрішніх напружень у тілі матеріалу, і, як наслідок, підвищенню міцності та термостійкості бетону в цілому.

З застосуванням основних положень поліструктурної теорії побудови композиційних матеріалів розроблено й оптимізовано склади зносо- термостійких бетонів на основі лужного алюмосилікатного вяжучого з використанням як наповнювача карбіду кремнію, а як заповнювача - плавленого електрокорунду, мулітокорунду і шамоту.

Показано, що отримані склади бетонів на основі лужного алюмосилікатного вяжучого і шамоту характеризуються високою термостійкістю і стабільністю міцносних характеристик в інтервалі температур 75-8000С, причому, міцність при стиску після сушки при 750С складає 55-60МПА. Застосування як жаростійкого заповнювача мулітокорунду дозволяє одержати бетони з підвищеною міцністю (до 65-67МПА) і зниженою стираністю (0,35-0,38 г/см2) в інтервалі температур 75-8000С. Формування макроструктури зносостійкого матеріалу за рахунок використання електрокорунду в кількості 60% зумовлює одержання композиту, що характеризується міцністю при стиску 65-68,5МПА, стираністю 0,25 г/см2 і термостійкістю до 25 теплозмін "8000С - вода".

Здійснено промислове випробування запропонованих складів зносо- термостійких бетонів підвищеної термостабільності для виробництва футеровки обертової печі для випалу каоліну в асоціації “Реконфісс”, м. Київ. Отриманий матеріал характеризується міцністю при стиску 50-55МПА; залишковою міцністю після випалу при 8000С 65-70МПА; зносостійкістю - 0,35 г/см2; термостійкістю 95 теплозмін “8000С - вода”. Термін експлуатації футеровки у 2 рази більше, ніж у футеровки, на основі шамотної цегли, що застосовувалася раніше, отриманий економічний ефект від впровадження 1м3 футеровки становить 1002,6 гривень.

Основні положення дисертації викладено в працях

Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Поліпшення термомеханічних характеристик жаростійких композитів на основі лужних алюмосилікатних вяжучих // Будівництво України. 1998. №6. с. 28-31.

Пушкарьова К.К., Гончар В.П. моделювання процесів синтезу цеолітоподібних новоутворень у лужних алюмосилікатних вяжучих // вісник донбаської державної академії будівництва і архітектури. Макіївка: видавництво донбаської державної академії будівництва і архітектури. 2000. №2(22). С. 184-189.

Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Исследование влияния состава щелочных алюмосиликатных связок на фазовый состав продуктов твердения //Науковий вісник будівництва. Харків: видавничий дім “Ватерпас”. 2000. №9. С. 268-276.

Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Особливості процесів структуроутворення та фізико-механічних властивостей лужних алюмосилікатних композицій, модифікованих карбідом кремнію // Будівництво України. 2000. №2. с. 30-32.

Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Моделирование процессов синтеза жаро- и термостойких композиций в системе Na2O-Al2O3-SIO2-H2O // Материалы 37 междунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Моделирование в материаловедении”, МОК’ 37. Одесса: Астропринт. 1998. с. 40-41.

Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Применение математических методов планирования эксперимента для оптимизации микроструктуры щелочных алюмосиликатных вяжущих повышенной износо- и термостойкости. // Материалы 38 междунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Оптимизация в материаловедении”, МОК’ 38. Одесса: Астропринт. 1999. с. 84-86.

Gonchar V.P. The studies on thermo-mechanical characteristics of the alkaline alumino silicate binders modified by a silicon carbide // Proceed. of the Second Internation. Conf. "Alkaline Cement and Concretes". Kyiv: Oranta Ltd. 1999. P 303-312.

Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Оптимізація складу зносо- термостійких композицій на основі лужних алюмосилікатних вяжучих // Материалы 39 междунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Рациональный эксперимент в материаловедении”, МОК’ 39, Одесса: Астропринт. 2000. с. 70-71.

Пушкарева Е.К., Гончар В.П. получение абразивных инструментов при минимальных энергозатратах // Зб. допов. третьої наук.-практ. конф. “Енергозбереження в будинках і спорудах”. Київ: Видавництво Київ-ЗНДІЕП. 2000. С. 73-74.

Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Применение геоцементов для производства абразивных инструментов // материалы 15-й Междунар. науч.-техн. конф. “Прогрессивные технологии в машиностроении”. Одесса - Киев: АТМ Украины. 2000. С. 203-204.