А.С.Завёрткин
Институт геологии Карельского научного центра РАН

Задачи теплосбережения, теплозащиты, снижения энергетических затрат в производстве и быту остаются актуальной проблемой настоящего и будущего.

Техническое развитие производства теплоаккумуляторов (ТА), связанное с отоплением жилищ и в то же время с экономией энергии, требует расширения использования прогрессивных теплоизоляционных и огнеупорных материалов.

Выбор и разработка состава огнеупорной теплоизоляции. Основными и необходимыми условиями при формировании составов огнеупорной изоляции тепловых агрегатов являются следующие: низкая теплопроводность в сочетании с малой удельной теплоёмкостью, сравнительно высокая термостойкость, термодинамическая устойчивость в процессе их эксплуатации.

При создании и проектировании конструкции огнеупорной изоляции для ТА учитывали реальные условия их эксплуатации. Такой подход базировался на положениях о прямой взаимозависимости состава и структуры разрабатываемых материалов с учетом эксплуатационных характеристик изделий.

По комплексу свойств наиболее приемлемыми базовыми химическими соединениями для огнеупорных теплоизоляционных изделий для футеровки ТА следует считать силикаты алюминия и магния, а также синтезируемые на их основе двойные и тройные системы (эвтектики, твёрдые растворы) с применением связующих и улучшающих свойства добавок. Для разработки составов огнеупорной изоляции были выбраны тальксодержащие породы Костомукшского месторождения, обладающие рядом ценных свойств, применительно к данному направлению их применения. Известно, что эти породы, ввиду незначительной твёрдости, хорошо обрабатываются. Из них могут изготовляться огнеупорные теплоизоляционные изделия для выполнения футеровки ТА.

В работе ставились задачи: 1) уточнение условий службы ТА и процесса износа огнеупорно - изолирующей футеровки; 2) выбор состава материала футеровочных изделий с целью отказа от дорогостоящих футеровочных материалов, корунда, периклаза, карбида кремния и других, и замены их более доступными отечественными материалами, разработанными на основе сырья и техногенных материалов местного производства, с целью исключения дальних перевозок; 3) изучение влияния связующих добавок по сравнению с глиной на технические свойства изделий футеровки.

С целью выяснения влияния на свойства изделий с широко известным связующим - глиной вводили от 10 до 21% жидкого натриевого стекла плотностью 1300 кг/м³, а также портландцемент в количестве от 20 до 30%. Массу для прессования готовили влажным способом.
Методика исследования. Изготовление лабораторных образцов и испытуемых в производственных условиях изделий, производилось из порошка пород зернистостью менее 3 мм с последующей сушкой в печах МП - 2У и обжигом в силитовых печах КО- 14 при температурах 900-1100-1200-1350°С в течение 1 и 2 ч. Фазовые и структурные соотношения изучались с помощью микроскопа МИН-8. Рентгенограммы снимались на дифрактометре ДРОН-3М при Си Кα излучении. В качестве внутреннего эталона использовался алюминий. Тальксодержащие породы неравноценны как сырьё для производства огнеупорно - изоляционных изделий для ТА и предложены методы оценки технических свойств по вещественному, зерновому составу с учётом выбора связующих добавок. Формуемую массу для прессования готовили влажным способом. Смешивание производили на бегунах лабораторного типа модели 018, прессование образцов выполняли на прессе ПГ-100.

Образцы обжигали в силитовых печах КО-14 в атмосфере воздуха при 1000, 1200 1350, и 1450°С с одно- и двух часовой выдержкой при максимальной температуре, температуру измеряли платина - платинородиевой термопарой.

Фазовые и структурные соотношения изучали в образцах футеровочных масс после обжига и эксплуатации промышленных изделий, определяя в них содержание муллита, силлиманита, силикатов магния, кварца, кристобалита и тридимита. Сравнение и расчёт содержания отдельных фаз проводили в сопоставлении с эталонными образцами кварца, кристобалита и тридимита. Определение дополнительного расширения образцов производили на приборе ДУ-6 при непрерывном наблюдении за показаниями прибора.

Обсуждение результатов исследования. В результате проведенных исследований была выяснена зависимость свойств образцов и промышленных изделий от зернового состава заполнителя, давления прессования или времени виброуплотнения образцов, типа связующего и его количества в составе футеровочной массы, температуры обжига и периода выдержки образцов при максимальной температуре термообработки.

Проведено сравнение свойств образцов, выполненных из дроблёных материалов без связующего и с применением в качестве связки жидкого стекла, высокоглинозёмистого цемента.

Были выполнены испытания образцов кубической формы, выпиленных из природного талько-хлоритового сланца (ТХС) с ребром куба 30 мм.

Эти образцы также были подвергнуты обжигу вместе с образцами из дроблёного ТХС со связующим и без связки. Обжиг образцов выполняли при 1050 и 1100°С с выдержкой при конечной температуре нагрева в течение 1 и 2 ч.

Оптимальная прочность образцов с высокоглинозёмистым цементом и жидким стеклом имеют после обжига при 1100°С с 2-х часовой выдержкой. В этом случае у образцов повышается плотность и прочность, снижается водопоглощение по сравнению с образцами на жидком стекле.

Для сравнения приводим результаты подобных исследований, где в качестве связующего применяли глину [1], оптимальная температура обжига у которых составляла 1050°С. Заметное увеличение прочности и плотности образцов с глиной происходит тогда, когда количество отощающего материала, в качестве которого применяли ТХС возрастало от 20 до 40% по массе. При этом отмечается хорошее спекание образцов при температуре 1050°С, т.е. на нижнем пределе температуры обжига.

Это связано с тем, что применяемая в исследованиях глина содержит незначительное количество глинозёма и повышенное количество плавней. Плавни способствуют появлению значительного количества стеклофазы, что приводит к повышению прочности образцов от 29 до 35 МПа, а из природного ТХС месторождения Турган - Койван - Аллуста после обжига на 10500С от 53 до 62 МПа, тогда как при обжиге образцов на 1100°С из дроблёного ТХС с портландцементом и жидким стеклом прочность находилась в пределах 25-30 МПа. Причём образцы с портландцементом более прочные и плотные, чем образцы, полученные с жидким стеклом. Это можно объяснить тем, что происходит реакция образовавшегося аморфного кремнезёма при дегидратации талька и хлорита с цементом.

При 700-9000С в результате реакций, протекающих в твёрдофазном состоянии, активный кремнезём связывает оксид кальция, тем самым усиливается спекание и возрастает прочность изделий. Но в этом случае возможен вариант, когда выше 700°С происходит расплавление жидкостекольной составляющей, что объясняет повышение количества аморфной фазы и увеличение прочности образцов после их охлаждения.

Образцы с жидким стеклом имеют низкую плотность, что по нашему мнению связано с повышением пористости, происходящей при 1100°С за счёт дегидратации талька. Это снижает прочность образцов и повышает водопоглощение. У образцов с жидким стеклом и портландцементом (11000С) и уступают по прочности образцам, выполненным из глины и природного ТХС, но после обжига последних на 1050°С. Те и другие образцы при этом имеют примерно одинаковую теплоёмкость и низкое значение теплопроводности. Образцы из ТХС с ПЦ и Ж. Ст и образцы из природного ТХС имеют теплопроводность в пределах 0.7-0.9 Вт/(м∙К) и теплоёмкость 830-845 Дж (кг град.) при комнатной температуре.

На связующих портландцемента и жидкого стекла были получены образцы из молотого ТХС с морозостойкостью более 35 циклов, термостойкостью ( 700°С - воздух) 18 теплосмен.

При обжиге образцов из глины с дополнениями ТХС от 20 до 40 (мас.%) идёт увеличение стеклофазы. В талькохлоритовом сланце при этой температуре (950°С) идёт перекристаллизация талька с образованием клиноэнстатита. При температуре 1050°С интенсивность линий талька снижается и повышается интенсивность линий клиноэнстатита. При 1000-1050°С распадаются гидрослюды, входящие в состав глины.

Установлено, что при температуре обжига, превышающей 1250°С, прочность образцов из ТХС и связующими из портландцемента и жидкого стекла резко возрастает, а количество стеклофазы увеличивается более 30%.

Для проведения промышленных испытаний огнеупорных и теплоизоляционных изделий, их готовили в процессе исследований в виде кирпича с размерами 250х120х90 мм, 370 х120х60 мм, плиты и блоки в натуральную величину, (элементы топки или теплоизоляции, и теплоаккумулирующие вставки).

На испытуемых образцах и изделиях после окончания испытаний трещин или других дефектов после завершения испытаний не наблюдалось.

Заключение.

1. Образцы и изделия из ТХС Костомукшского месторождения и связующих жидкого стекла и портландцемента без предварительного обжига и после термообработки до 1150°С в течение 2 ч пригодны для изготовления огнеупорно - теплоизоляционных изделий и футеровки воздушных каналов и рабочего тела теплоаккумуляторов СТЭ типа «печь».

2. Для огнеупоров топки теплоаккумуляторов изделия из ТХС могут применяться со связующими из высокоглинозёмистого цемента или ортофосфорной кислоты с введением глинозём содержащих добавок для повышения огнеупорности изделий.

3. Для повышения прочностных свойств изделий из ТХС достаточным следует считать давление прессования не ниже 40 МПа. Применение более высоких давлений прессования будет способствовать применению изделий из ТХС без связующих добавок.

4. По физико-керамическим свойствам изделий из ТХС и связующих жидкого стекла и портландцемента составы могут быть пригодны для футеровки печей, выплавляющих алюминиевые сплавы (Ал-2) и латуни (ЛК 80-3Л).

5. По теплофизическим свойствам образцы и изделия их ТХС Костомукшского месторождения с жидким стеклом и портландцементом близки к обожжённым блокам из природного ТХС месторождения Турган - Койван - Аллуста.

6. Утилизация отходов производства, получаемых при изготовлении блоков из ТХС, будет снижать себестоимость изделий и улучшать экологическую обстановку производства. Эффективные теплоизоляционные материалы и изделия из них сокращают потери тепла, обеспечивают экономию топлива и электроэнергии, обусловливают устойчивые режимы эксплуатации ТА, повышают безопасность условий труда персонала.

ЛИТЕРАТУРА
1. Соколов В.И. Талько-хлоритовые сланцы и пути их комплексного использования. Петрозаводск: Изд-во КарНЦ РАН, 1995. 128 с.

Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренц-региона в технологии строительных и технических материалов