книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии
.pdfЮ. Е. Пивинский
НЕФОРМОВАННЫЕ
ОГНЕУПОРЫ
Т О М I
КНИГА 1 Общие вопросы технологии
Второе издание
“Теплотехник” Москва, 2004
УДК 620 193 ББК 35.41
П32
Пивинский Ю. Е.
П32 Неформованные огнеупоры: Справочное издание: В 2-х томах. Т. 1. Книга 1. Общие вопросы технологии / Ю. Е. Пивинский. — 2-е изд. — М.: Теплотехник, 2004. — 448 с.
Современная тенденция мирового развития в разработке и применении огнеупоров состоит во вне дрении ресурсо- и энергосберегающих технологий, в увеличении производства высокоэффективных неформованных огнеупоров, что сопровождается значительным сокращением производства огне упорных изделий. Например, в Японии, как наиболее “продвинутой” в технологии металлургии и огнеупоров стране, производство неформованных в 1,5 раза выше, чем формованных. При этом объем производства новых наливных огнеупорных бетонов превышает суммарное производство шамот ных, высокоглиноземистых и периклазоугперодых. Мировая тенденция характерна и для России, где в последние годы отмечается интенсивное внедрение новых неформованных огнеупоров. При этом применяются как аналоги зарубежных низко- и сверхнизкоцементных бетонов, так и более перспек тивные — бесцементные (керамобетоны). В справочнике отражен мировой уровень производства и применения в различных областях техники современных неформованных огнеупоров. Первая книга первого тома справочника посвящен классификациям, исходным материалам и общетехнологичес ким вопросам технологии неформованных огнеупоров. Рассмотрены теоретические аспекты, касаю щиеся реологии и коллоидной химии дисперсных систем как основы наукоемких технологий нефор мованных огнеупоров. Справочник рекомендуется для инженерно-технических работников огнеупор ных и металлургических предприятий, проектных, исследовательских и наладочных организаций.
Ил. 311. Табл. 80. Библиогр. список: 404 назв.
Работа представлена в авторской редакции.
Справочное издание
П ивинский Ю р и й Е ф им ови ч
НЕФОРМОВАННЫЕ ОГНЕУПОРЫ
КомпьютернаяверсткаЛ. Г. Борисова
КоорекгорЛ. Г. Смирнова
18ЕМ 5-98457-010-6
9*7 8 5 9 8 4 |
5 7 0 1 0 7 |
Сдано в набор 9.09.02. Подписано к печати 27.03.04. Формат 70x100 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уел. печ. л. 36,4. Уел. кр-отг. 36,4. Уч.-изд л. 34,94. Тираж 1000 экз. Заказ № 9846
Издательство “Теплотехник” 103064, Москва, ул. Земляной Вал, 27, стр. 3
Отпечатано с оригинал-макета в ППП “Типография “Наука” 121099, Москва, Шубинский пер., 6
181ЭД5-98457-010-6 |
© Пивинский Ю. Е., 2004 г. |
18ВЫ5-98457-009-2 |
© “Теплотехник”, 2004 г. |
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................................................................................................................................................. |
|
7 |
Условные обозначения............................................................................................................................. |
|
10 |
Глава 1. Основные тенденции развития огнеупоров и потребляющих |
|
|
их отраслей промыш ленности............................................................................................................ |
|
14 |
1.1. Основополагающие мировые тенденции — повышение доли неформованных |
|
|
и понижение расхода огнеупоров.................................................................................................. |
|
14 |
1.2. Некоторые общие сведения о металлургической |
|
|
и огнеупорной отрасли России и Украины................................................................................. |
20 |
|
1.3. О глобализации в сферах производства и потребления огнеупоров..................................... |
37 |
|
1.4. Библиографический список............................................................................................................ |
|
42 |
Глава 2. Классификация и общие сведения о неформованных огнеупорах....................... |
44 |
|
2.1. Определения и терминология в области неформованных огнеупоров................................. |
44 |
|
2.2. Классификация неформованных огнеупоров по общим признакам..................................... |
45 |
|
2.3. Классификация неформованных огнеупоров по специальным признакам.......................... |
52 |
|
2.4. Маркировка неформованных огнеупоров.................................................................................... |
59 |
|
2.5. Тенденции развития и применения неформованных огнеупоров........................................... |
61 |
|
2.6. Преимущества и проблемы применения неформованных огнеупоров................................. |
63 |
|
2.7. Огнеупорные бетоны........................ |
............................................................................................... |
69 |
2.8. Торкрет-массы (торкрет-бетоны) |
.......................................................................................... |
81 |
2.9. Другие неформованные огнеупорные Материалы...................................................................... |
86 |
|
2.9.1. Пластичные массы ................ |
'....!......................................................................................... |
87 |
2.9.2. Набивные массы...................................................................... |
|
|
2.9.3. Леточные массы ..................................................................................................................... |
|
91 |
2.9.4. Сухие м ассы .................................... |
|
94 |
2.9.5. Огнеупорные растворы (мертели)...................................................................................... |
97 |
|
2.9.6. Огнеупорные материалы для ремонта методом нагнетания......................................... |
98 |
|
2.9.7. Литые огнеупорные бетоны для горячего ремонта...................................................... |
100 |
|
2.10. Библиографический список к главе 2 ....................................................................................... |
101 |
|
Глава 3. Цементы, вяжущие, связки и матричные (вяжущие) системы. |
|
|
Терминология, классификация и общие сведения.................................................................... |
104 |
|
3.1. Терминология и определения....................................................................................................... |
|
104 |
3.2. Вяжущие системы как высококонцентрированные суспензии (пасты).............................. |
107 |
|
3.2.1. Массовое и объемное содержание ф а з ............................................................................ |
107 |
|
3.2.2. Критическая и относительная концентрация суспензий, формы связи |
|
|
в них жидкости.................................................................................................................... |
|
111 |
3.2.3. Объемное содержание химически связанной жидкости.............................................. |
114 |
|
3.3. Классификация вяжущих и матричных (вяжущих) систем................................................... |
117 |
|
3.3.1. Общие классификации вяжущих....................................................................................... |
117 |
|
3.3.2. Классификация вяжущих по признаку объемных фазовых соотношений............ |
120 |
|
3.4. Классификация и общие сведения о высококонцентрированных |
|
|
керамических вяжущих суспензий (ВКВС) |
124 |
|
3.4.1. Концепция керамических вяжущих................................................................................ |
124 |
3.4.2. Кислотно-основные взаимодействия и ионный потенциал....................................... |
126 |
3.4.3. Классификация и отличительные признаки групп ВКВС.......................................... |
133 |
3.5. Общая характеристика вяжущих систем керамобетонов...................................................... |
140 |
3.6. Общая характеристика вяжущих систем низкоцементных огнеупорных бетонов......... |
142 |
3.7. Библиограический список к главе 3 ............................................................................................ |
145 |
Глава 4. Реология и коллоидная химия дисперсных систем — научная основа |
|
технологии производства и применения неформованных огнеупоров............................. |
148 |
4 .1 .0 принципе реотехнологического соответствия в технологии огнеупорных бетонов ... |
148 |
4.2. Взаимодействие дисперсных частиц и агрегативная устойчивость систем ..................... |
151 |
4.3. Межфазные взаимодействия и структурообразование керамобетонов.............................. |
155 |
4.4. Состояние и формы связи жидкости в дисперсных системах |
|
и их дефлокуляция (разжижение).............................................................................................. |
159 |
4.5. Электрокинетические свойства и прочность вяжущих......................................................... |
164 |
4.6. Некоторые общие положения реологии дисперсных систем............................................... |
166 |
4.7. Дисперсные структуры и структурно-реологические характеристики |
|
дисперсных систем на различных технологических стадиях.............................................. |
173 |
4.8. Тиксотропия и тиксотропные системы |
178 |
4.8.1. Структурная вязкость и тиксотропия................................................................................ |
178 |
4.8.2. Классификация тиксотропных систем.............................................................................. |
183 |
4.8.3. О механизмах тиксотропии. Тиксотропное структурообразование.......................... |
185 |
4.8.4. Факторы, определяющие тиксотропию............................................................................ |
188 |
4.9. Дилатансия и дилатантные системы........................................................................................... |
192 |
4.9.1. Факторы, определяющие дилаггансию. Коллоидно-химический аспект |
196 |
4.9.2. Классификация дилатантных систем................................................................................ |
199 |
4.9.3. Влияние характеристики твердой фазы........................................................................... |
201 |
4.9.4. Влияние температуры.......................................................................................................... |
204 |
4.9.5. Влияние стабилизации, коагуляции и старения............................................................ |
205 |
4.9.6. Влияние критической и относительной концентрации.............................................. |
207 |
4.10. Дисперсные системы со сложным характером течения...................................................... |
210 |
4.11. Концентрационная зависимость вязкости неньютоновских дисперсных систем ......... |
216 |
4.11.1. Вязкость суспензий. Уравнения Пивинского............................................................... |
216 |
4.11.2. Влияние аномалии реологического поведения на характер |
|
концентрационной зависимости вязкости.................................................................. |
222 |
4.11.3. Влияние зернистого заполнителя на вязкость наполненных систем .................... |
224 |
4.12. Библиографический список к главе 4 ...................................................................................... |
229 |
Глава 5. Порошки и заполнители в технологии неформованных огеупоров. |
|
Общая их характеристика и упаковочные свойства................................................................ |
233 |
5.1. Общая характеристика дисперсности и зернового распределения..................................... |
233 |
5.2. Характеристика дисперсности порошков. Основные термины, |
|
понятия и определения................................................................................................................... |
236 |
5.3. Технологические свойства и характеристики порошков. Способы их изучения............ |
243 |
5.4. Влияние некоторых технологических параметров на упаковочные свойства |
|
огнеупорных порошков.................................................................................................................. |
246 |
5.5. Материалы для матричных систем НЦОБ и СН Ц ОБ............................................................. |
253 |
5.5.1. Микрокремнезем и его свойства.................................................................................... |
253 |
5.5.2. Синтетические высокоглиноземистые материалы. |
|
Усовершенствованная матричная система на их основе........................................... |
260 |
5.6. Характеристики и структурообразующая способность пористых заполнителей........... |
265 |
5.6.1. Некоторые свойства пористых заполнителей.............................................................. |
265 |
5.6.2. Структурообразующая способность пористого заполнителя |
|
в технологии керамобетонов с жесткофиксированным каркасом.......................... |
269 |
5.6.3. Кинетика структурообразования керамобетонов |
|
с жесткофиксированным каркасом пористого заполнителя.................................... |
276 |
5.7. Огнеупорные заполнители для неформованных огнеупоров............................................... |
277 |
5.8. О принципах подбора зернового состава формовочных систем |
|
в технологии огнеупорных бетонов......................................................................................... |
290 |
5.8.1. Об идеальных кривых зернового распределения....................................................... |
291 |
5.8.2. Некоторые примеры и анализ реальных зерновых составов.................................... |
296 |
5.9. Библиографический список к главе 5 ....................................................................................... |
299 |
Глава 6. Процессы формования и уплотнения в технологии огнеупорных бетонов...... |
302 |
6.1. Процессы получения и формования литых огнеупорных бетонов.................................... |
302 |
6.1.1. Общая характеристика и классификация..................................................................... |
302 |
6.1.2. Реологические и технологические особенности.......................................................... |
305 |
6.1.3. Влияние и взаимосвязь основных технологических параметров........................... |
309 |
6.1.4. Составы и свойства саморастекающихся НЦОБ и СНЦОБ...................................... |
320 |
6.1.5. Технология огнеупорных бетонов с жесткофиксированным каркасом |
|
заполнителя (процесс с Ж ФК)........................................................................................ |
322 |
6.1.6. Центробежное формование из литых бетонов.............................................................. |
335 |
6.1.7. О структурообразовании литых бетонов при частичном обезвоживании............... |
338 |
6.2. Вибрационные методы формования и укладки огнеупорных бетонов.............................. |
341 |
6.2.1. Виброреология бетонных смесей..................................................................................... |
342 |
6.2.2. Процессы виброформования (виброуплотнения)......................................................... |
349 |
6.2.3. Общие характеристики формовочных систем.............................................................. |
351 |
6.2.4. Основные параметры и закономерности виброуплотнения....................................... |
359 |
6.3. Процессы виброформования и виброуплотнения в технологии керамобетонов............ |
365 |
6.3.1. Процессы вибролитья......................................................................................................... |
365 |
6.3.2. Процессы вибропрессования............................................................................................ |
371 |
6.4. Процессы набивки или пневмо(вибро)трамбования |
|
в технологии огнеупорных бетонов........................................................................................... |
379 |
6.5. Процессы прессования в технологии керамобетонов............................................................ |
388 |
6.5.1. Высокоглиноземистые керамобетоны............................................................................. |
388 |
6.5.2. Кремнеземистые керамобетоны....................................................................................... |
396 |
6.6. Сопоставительная оценка способов формования керамобетонов...................................... |
400 |
6.7. Библиографический список к главе 6 ......................................................................................... |
409 |
Приложение 1. Основные материалы, используемые |
|
в огнеупорной промышленности........................................................................................................ |
414 |
Приложение 2. Цены на некоторые виды огнеупорного сырья.................................................. |
419 |
Приложение 3. Объемы производства огнеупоров в Японии в 1997-2000 гг ......................... |
421 |
Приложение 4. Сравнительная характеристика испытательных си т .......................................... |
422 |
Приложение 5. Классификация модификаторов, применяемых |
|
в производстве строительных бетонов, по функциональному назначению |
|
и технико-экономическому эффекту.................................................................................................... |
424 |
Приложение б. Пластификаторы бетонных смесей......................................................................... |
426 |
Приложение 7. Модификаторы пластифицирующего |
|
и воздухововлекающего действия........................................................................................................ |
428 |
Приложение 8. Суперпластификаторы, применяемые в России и странах СНГ |
|
в производстве строительных бетонов............................................................................................... |
430 |
Приложение 9. Перечень модификаторов, применяемых |
|
в производстве строительных бетонов............................................................................................... |
432 |
Приложение 10. Теплоизоляционные материалы, |
|
выпускаемые ООО “Изомат” (Шабурова I А .)................................................................................ |
441 |
Сведения об авторе.................................................................................................................................. |
446 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современная тенденция мирового развития производства и применения огнеупо ров состоит в существенном снижении удельных расходов огнеупоров не только в черной металлургии, потребляющей до 70 % всех огнеупоров, но и в других произ водствах, связанных с их применением. В значительной степени это достигнуто за счет разработки и внедрения новых неформованных огнеупоров. Несмотря на общую тенденцию сокращения объема производства и применения огнеупоров, удельная доля неформованных огнеупоров в общем их балансе возрастает. Это сопровождается зна чительным сокращением производства обожженных огнеупорных изделий.
Отмеченные тенденции ярко иллюстрируются статистическими данными развития металлургической и огнеупорной промышленности Японии, которые в технологичес ком отношении являются наиболее развитыми и прогрессивными. Так, за четырехлет ний период (1997-2000 гг.) при примерно постоянном объеме производства стали (104,5 и 106,4 млн т в 1997 и 2000 годах соответственно) производство огнеупоров уменьши лось на 16,65 % (с 1548 до 1327 тыс. т). Относительное падение производства формо ванных огнеупоров (23,3 %) существенно выше, чем неформованных (12 %), что обус ловило рост доли неформованных в общем их балансе до 60 %. При этом доля потреб ления неформованных огнеупоров в основной сфере — черной металлургии — дос тигла 75 %. Характерно при этом, что в общем балансе огнеупоров растет относитель ная доля новых наливных бетонов (саз1аЫе). В 2000 г. их производство достигло 354,9 тыс. т (26,7 %), что превышает даже общее суммарное производство традици онных шамотных (10%), высокоглиноземистых (7,5 %) и периклазо-углеродистых (7,15 %) формованных огнеупоров. Изложенные выше структурные изменения харак теризуют общую мировую тенденцию в области разработки, производства и примене ния огнеупоров.
К классу неформованных огнеупоров относятся огнеупорные бетоны (бетонные массы и смеси, а также предварительно отформованные бетонные изделия), торкретмассы, набивные и пластичные массы, мертели (огнеупорные растворы), сухие сме си, огнеупорные покрытия, керамические волокна и материалы на их основе.
Основными в области неформованных огнеупоров являются огнеупорные бетоны и торкрет-массы (торкрет-бетоны).
Существенным недостатком традиционных огнеупорных бетонов, получаемых с применением вяжущих на основе жидкого стекла, фосфатов, глиноземистого или вы сокоглиноземистого цемента являются пониженные механические и термомеханичес кие свойства. В последние 20-25 лет наметилось, по крайней мере, два новых направ ления в разработке и применении более эффективных огнеупорных бетонов. По одно му из направлений, касающемуся бетонов гидратационного твердения, существенно снижают содержание высокоглиноземистого цемента, что достигается прежде всего разработкой комплексных типов связующих, у которых основная часть цемента заме няется высокодисперсными или ультрадисперсными порошками или коллоидной связ кой. При определенных условиях у подобных бетонов, получивших обобщающее на звание низкоцементных, содержание высокоглиноземистого цемента удается пони зить до 1-3 % (0,2-0,6 % СаО).
Вотличие от этого направления в технологии керамобетонов высокоэффективные огнеупорные бетоны получают и без введения “инородных” (типа цементов) компо нентов. Роль вяжущего в керамобетонах выполняют полученные по специальной тех нологии ВКВС, называемые также керамическими вяжущими.
Всвязи с изложенным, наиболее значительные успехи в последние десятилетия достигнуты в области создания новых огнеупорных бетонов, которые часто называют наливными вибрационными тиксотропными огнеупорными массами (НВТОМ) — низкоцементных, сверхнизкоцементных, а также бесцементных (прежде всего — ке рамобетонов). В отличие от традиционной технологии виброукладки применительно
кпоследним созданы литые (саморастекающиеся при низкой влажности) бетоны, а также технологии их нанесения (укладки) методом торкретирования.
Применительно к технологии новых огнеупорных бетонов выросла значимость на учных исследований в области реологии и коллоидной химии высококонцентриро ванных дисперсных систем, т.к. производство этих огнеупоров основано на высоко наукоемких технологиях.
Несмотря на значимость рассматриваемых направлений, вопросы неформованных огнеупоров в отечественной специальной литературе освещены крайне недостаточно.
В1975 г. издана книга по кремнеземистым бетонам [1.1], в 1982 г. — справочник по огнеупорным бетонам [1.2]. Уровень разработки керамических вяжущих и керамобе тонов по состоянию на конец восьмидесятых годов описан в монографии Ю. Е. Пивинского [1.3]. К этому же периоду относится издание книги по магнезиальным бето нам [1.4]. Последнее книжное издание по огнеупорным бетонам относится к 1996 г. [1.5]. Глава по неформованным огнеупорам приведена в новом справочнике по огне упорам [1.6].
За рубежом по проблеме производства и применения неформованных (часто назы ваемых “монолитными”) огнеупоров издано несколько справочников и монографий [1.7-1.10]. Заслуживает внимания и книга по конструированию и дизайну огнеупор ных футеровок [1.11].
Внекоторых из них [1.9,1.10] приведены сведения по самому современному состо янию рассматриваемой проблемы. Однако отечественным специалистам указанные книги недоступны. Кроме того, положение с научной литературой усугубляет и тот факт, что в настоящее время специалистам практически недоступны иностранные специальные журналы, где публикуются последние достижения по неформованным огнеупорам (“ТаПсаЬЩзи КеГгас1опез”, “Та1каЬи1зи Оуегзеаз”, “Ашепсап Сегаш. 8ос. ВиПебп” и др.)
Вэтой связи поставленная нами цель создания двухтомного справочника по нефор мованным огнеупорам представляется весьма актуальной. С учетом того, что по дан ному направлению настоящее издание в России является первым, спецификой пред лагаемых книг является то, что по содержанию и форме изложения материала они выходят за рамки справочника. Автором предпринята довольно трудная попытка со здания такой книги, которая одновременно может рассматриваться не только как спра вочник для производителей и потребителей огнеупоров, но и как монография для уче ных и разработчиков новых огнеупоров, а также как учебник или учебное пособие для студентов соответствующего профиля.
Внастоящей книге обобщены и проанализированы новейшие научные и технологи ческие достижения в области разработки, производства и применения (службы) раз нообразных видов неформованных огнеупоров. При этом широко обобщен как зару бежный, так и отечественный опыт в области производства и применения неформо ванных огнеупоров.
Впервой книге первого тома справочника рассмотрены вопросы классификации, исходные материалы, общие теоретические и технологические основы технологии не формованных огнеупоров.
Вторая книга первого тома посвящена технологии отдельных классов неформован ных огнепоров: керамическим вяжущим и керамобетонам, огнеупорным бетонам гидратационного твердения (СНЦОБ, НЦОБ, СЦОБ), бетонам на основе фосфатных вя жущих, жидкого стекла и многим другим неформованным огнеупорам (торкрет-мас сы, набивные массы и др.)
Второй том посвящен преимущественно структуре, свойствам и службе неформо ванных огнеупоров в различных тепловых агрегатах.
Основу первого тома составляют как аналитическое обобщение работ многих оте чественных и зарубежных авторов, так и результаты собственных исследований, ве дущихся с 1965 г. На различных этапах в этих разработках участвовали В. А. Бевз,
А.А. Дабижа, П. В. Дякин, Ф. С. Каплан, Р. Г. Макаренкова, П. Л. Митякин, О. Н. Самарина, С. Г. Сетикова, М. А. Трубицын, Е. В. Рожков, Д. А. Добродон, И. В. Гален ко, А. В. Череватова, Е. А. Дороганов, В. Ю. Белоусова, К. В. Тимошенко, В. А. Дороганов, М. А. Скуратов, С. В. Вихман и др., которым автор выражает глубокую благо дарность.
Ввопросах реализации как технологии производства, так и применения различных материалов автор обязан Е. М. Гришпуну, Е. В. Рожкову, Д. А. Добродону, М. 3. Нагинскому, Э. А. Вислогузовой, В. В. Филлипову.
Настоящее издание является попыткой создания первой в отечественной литерату ре книги по столь широкой теме и потому не лишено недостатков. Автор с благодар ностью примет замечания и пожелания читателей, которые они сочтут возможным высказать в адрес издания: 125171, Москва, Ленинградское шоссе, 18, ОАО “Инсти тут Стальпроект”, Издательство “Теплоэнергетик”.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ*
с — массовая доля сй— степень объемного заполнения системы твердой фазой
с — объемная доля газовой (воздушной) фазы в системе ск к, сккпр— концентрация и приведенная концентрация коллоидного компонента в ВКВС соотвественно су— объемная доля дисперсной (твердой) фазы в системе
с^, — эффективная объемная доля твердой фазы (с учетом объема связанной диспер сионной среды)
Су — граничное значение с,„ соответствующее переходу системы от аномального те чения в ньютоновское Су, Су — объемная доля вяжущего и заполнителя (в керамобетоне) соответственно
с*, с,™ — объемная доля зернистого заполнителя в суспензии и отливке соответ ственно сУкр— критическая объемная концентрация системы (определяется пористостью от ливки)
су^ — критическая концентрация зернистого заполнителя в суспензии Су — объемная доля раковин в вяжущем Су — объемная доля твердой фазы в наполненной системе
сУт— максимальная (технологически допустимая) доля твердой фазы в системе с^ — объемная доля жидкой (дисперсионной) среды в системе
ст , ст, с]УГ сш — объемная доля кинетически свободной, кинетически связанной, физико-химически связанной и механически захваченной дисперсионной среды (в суспензиях)
В, <1— диаметр */, Вл, /)зэ— диаметры заполнителя и эквивалентный диаметр заполнителя (приведен
ный к шару) соответственно ^ср» ^ср" — средний и среднеповерхностный диаметр частиц соответственно
— максимальный диаметр частиц Ец— кажущаяся энергия активации вязкого течения
Н— расстояние, высота или толщина набранного слоя массы (при литье) Исрмэ — средний показатель межзеренного зазора в каркасе заполнителя Кт— индекс гидратации
КК ст — показатели коагуляции с стабилизации соотвественно Кп— показатель полидисперсности
—коэффициент усадки (суспензии при наборе на пористую форму или при цент робежном формовании)
Куп— коэффициент упаковки (порошка)
Кт — коэффициент упаковки твердой фазы в отливке
Ку— влагоемкость каркаса (пористого заполнителя)
Ку — коэффициент пористого разрыхления (порошка) тп— массовые потери при прокаливании
* В список включены также условные обозначения, принятые во второй книге первого тома.