Влияние технологических факторов на свойства безобжигового пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала. Часть 2

  Следующим этапом исследований в этом направлении является введение пены в высоковязкую жидкостекольную композицию, полученную путем предварительного разогрева и последующего охлаждения, изучение влияния количества пены, продолжительности перемешивания пеномассы на устойчивость поровой структуры после формования и твердения при 200°C.
   На рис. 3 приведены результаты экспериментов исследования влияния количества пены на плотность пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала. Откуда следует, что с увеличением количества пены в составе композиции средняя плотность теплоизоляционного материала уменьшается пропорционально количеству пены, и, наоборот, с увеличением твердого составляющего (шамот-силикат-натриевой композиции) его средняя плотность растет. Таким образом, средняя плотность материала полностью регулируется количеством пены, введенной в состав шамот-силикат-натриевой массы. При этом показатели пористости и прочности на сжатие при равных условиях получения теплоизоляционного материала зависят от плотности материала. Это хорошо иллюстрируется характером изменения кривых 3, 1 на рис. 4: зависимости пористости и прочности при сжатии от средней плотности пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала, полученного путем введения пены в оптимальный состав шамот-силикат-натриевой композиции. Такой характер изменения пористости и прочности при сжатии в зависимости от средней плотности сохраняется и после обжига при 1200°С пеношамот-силикат-натриевого материала.
   При этом показатели пористости и прочности при сжатии увеличиваются по сравнению с аналогичными показателями пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала после твердения при 200°C. Это свидетельствует о том, что при высоких температурах в рассматриваемом материале происходит структурирование, уменьшение содержания стеклофазы за счет перехода части аморфного кремнезема в тридимит и кристобаллит.
   Однако здесь необходимо отметить достаточно высокие показатели усадки (2,5%) (рис. 5) пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала со средней плотностью (400–600 кг/м3). Это объясняется высоким содержанием пены в составе теплоизоляционного материала, которое усугубляется, как отмечалось выше, с изменением вязкости вяжущего составляющего – водного раствора силиката-натрия в процессе твердения материала при 200°C.
   Основываясь на результатах ранее проведенных исследований, была предположена возможность снижения огневой усадки пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала путем введения в состав пеносиликат-натриевой массы третьего компонента – молотого портландцементного клинкера.
   Формирование структуры при этом в начальный период будет происходить за счет гидратации минералов клинкера, а также взаимодействия водного раствора силиката натрия с минералами портландцементного клинкера и гидратом оксида кальция, выделяющегося в результате гидратации C3S; C3A в гидросиликаты и гидроалюминаты. Продуктами взаимодействия являются гидросиликаты кальция, гидроалюминаты, ферриты и гидрогранаты кальция, а при высоких эксплуатационных температурах – высокотемпературные силикатные новообразования типа двухкальциевого силиката, алюмината кальция, муллита и др.
   На рис. 6 приведены результаты исследований влияния молотого портландцементного клинкера на усадку пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала со средней плотностью 400–600 кг/м3.
   Откуда следует, что при введении в состав разработанного теплоизоляционного материала 5–6% по массе портландцементного клинкера не только исключает усадку, но и повышает прочность при сжатии после обжига при высоких температурах (1200°C). Это объясняется тем, что твердение разработанного теплоизоляционного материала обусловлено не только наличием геля кремниевой кислоты, но и химическим взаимодействием между компонентами теплоизоляционного материала с образованием новых соединений, обеспечивающих повышение прочности. Кроме того, с введением в состав теплоизоляционного материала со средней плотностью 400–600 кг/м3 портландцементного клинкера снижается содержание силикат-натриевого композиционного вяжущего, соответственно силиката натрия – легкоплавкого составляющего в смеси материала. Следовательно, можно ожидать повышения огнеупорных свойств разработанного теплоизоляционного материала.
   Оптимальные составы пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала в зависимости от средней плотности приведены в таблице 4.
   Таким образом, установлено и изучено влияние технологических факторов на вяжущие свойства шамот-силикат-натриевой композиции: количество силиката натрия в композиции и его кремнеземистый модуль; дисперсность и равномерность распределения; исходная влажность формовочных масс; вид тонкодисперсного твердого компонента; его соотношение с силикатом натрия по массе; режим тепловой обработки. Проведенные исследования показали, что можно управлять основными свойствами шамот-силикат-натриевой композиции, изменяя ряд технологических факторов: содержание силиката натрия и равномерность распределения в композиции; тонкости помола компонентов (300–400 см2/г); количество воды затворения (В/Т = 0,45–0,6); температуры предварительного разогрева (90°C) и времени перемешивания (6 минут).
   Предварительный разогрев при одновременном перемешивании смеси шамот-силикат-натриевой композиции по сравнению с традиционной технологией повышает растворимость силиката натрия (концентрации в растворе SiO2 в 20 раз и NaOH в 14 раз). При этом выявлен высокий уровень однородности смеси независимо от концентрации силиката натрия в композиции.
   Методами математического моделирования определены оптимальный состав шамот-силикат-натриевой композиции и гранулометрия заполнителя. Наилучшие свойства композиции получены для состава (% по массе): мелкий шамотный заполнитель (фракции 3–2,5 мм – 50–25%; 1,25–0,63 мм – 50–30%; менее 0,14 мм – 30–20%) – 80, тонкомолотый шамот – 16 и силикат-натрия – 4.
   Установлено, что плотность безобжигового жаростойкого пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала полностью регулируется количеством пены, введенной в состав шамот-силикат-натриевой композиции, и составляет: rср = 400–1400 кг/м3 соответственно 840–435 литров. При этом показатели пористости, усадки и прочности при сжатии при равных условиях получения теплоизоляционного материала зависят от плотности материала.

   Предположение возможности снижения огневой усадки при высоких температурах эксплуатации безобжигового жаростойкого пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала со средней плотностью 400–600 кг/м3 путем введения в его состав третьего компонента – молотого портландцементного клинкера исследованиями полностью подтвердилась. Введение в состав композиции портландцементного клинкера 5–6% по массе не только исключает усадку, но и повышает прочность при сжатии после обжига при высоких температурах (1200°С). Следовательно, твердение разработанного теплоизоляционного материала обусловлено не только наличием геля кремниевой кислоты, но и химическим взаимодействием водного раствора силиката натрия с минералами портландцементного клинкера и гидратом оксида кальция, выделяющегося в результате гидратации C2S, в С3А в гидросиликаты и гидроалюминаты. Продуктами взаимодействия являются гидросиликаты кальция, гидроалюминаты, ферриты и гидрогранаты кальция, а при высоких эксплуатационных температурах высокотемпературные силикатные новообразования типа двухкальциевого силиката, алюмината кальция, муллита и др.