Знания в области проектирования и производства огнеупорных бетонов на основе корунда 

В силико-алюминиевых огнеупорных бетонах те, в которых содержание Al₂O₃ превышает 90%, классифицируются как корундовые огнеупорные бетоны.

Комбинации сырья для корундовых бетонов варьируются, например:

(1) Использование белого плавленного оксида алюминия в качестве заполнителя и порошка;

(2) Использование пластинчатого оксида алюминия и плотного (спеченного) оксида алюминия в качестве заполнителя, с плотным (спеченным) оксидом алюминия в качестве порошка;

(3) Полубелый корунд/коричневый корунд в качестве заполнителя с плотным (спеченным) оксидом алюминия в качестве порошка;

(4) Белый корунд и высококачественный бокситовый клинкер в качестве заполнителя с белым корундом в качестве порошка и т. д.

Для улучшения свойств матрицы корундовых огнеупорных бетонов в состав порошковой смеси обычно добавляют белый корундовый порошок или пластинчатый порошок оксида алюминия. Исходя из целевых требований к характеристикам корундовых огнеупорных бетонов, коэффициент распределения частиц (q-значение) выбирается рационально для формирования гранулометрического состава. В сочетании с активными наполнителями в системе широко используются порошок SiO₂ (обычно называемый кремнеземным дымом, сокращенно uf-SiO₂) или активный порошок α-Al₂O₃ (сокращенно uf-Al₂O₃). В зависимости от требований применения корундовые огнеупорные бетоны могут быть сформулированы как цементосодержащие (LCC и ULCC) или безцементные (NCC) составы. В первых в качестве связующего используется цемент или цементоактивная смесь ультрадисперсных порошков, а во вторых — активный ультрадисперсный порошок. Одновременно добавляются высокоэффективные поверхностно-активные вещества (высокоэффективные диспергаторы и водоредукторы) для диспергирования связующего и активных наполнителей, что позволяет снизить потребление воды.

Как правило, содержание (массовая доля) порошка + активного наполнителя (ультрадисперсного порошка) в корундовых огнеупорных бетонах составляет от 30% до 34%. Количество активного наполнителя варьируется в зависимости от типа материала, хотя оптимальный диапазон добавления составляет от 4% до 10%. Кроме того, все корундовые огнеупорные бетоны требуют добавления высокоэффективных поверхностно-активных веществ (высокоэффективных диспергаторов и водоредукторов) для диспергирования связующего и активного наполнителя. Это обеспечивает хорошую текучесть и превосходную обрабатываемость бетонной смеси.

В огнеупорных бетонах на основе оксида алюминия количество связующего, активного наполнителя и добавок минимально, но они составляют три незаменимых компонента, которые дополняют друг друга. Выбор каждого компонента становится ключевым фактором в контроле реологических свойств корундовых огнеупорных бетонов. Критерием выбора является обеспечение соответствия корундового огнеупорного бетона требуемым эксплуатационным характеристикам. Этого можно достичь путем оптимизации добавок (высокоэффективных диспергаторов и водоредукторов). Например, могут быть добавлены несколько добавок (композитные добавки), каждая из которых обладает отличными функциями по изменению реологических свойств корундового огнеупорного бетона.

Процесс сушки корундовых литейных огнеупорных материалов

Повышение температуры в процессе сушки корундовых огнеупорных бетонов является критическим этапом, требующим тщательного контроля. На начальном этапе сушки из пор корундового огнеупорного бетона в основном выделяется f-H₂O. По мере продолжения нагрева гидратированные соединения подвергаются ряду процессов дегидратации наряду с микроструктурными изменениями в связующей фазе. На примере корундовых огнеупорных бетонов с низким содержанием цемента процесс дегидратации и микроструктурные изменения в связующей фазе на протяжении цикла нагрева и сушки иллюстрируются следующим образом: ① При температуре от комнатной до 100 °C продукты гидратации цемента постепенно превращаются в более стабильные фазы AH₃ и C₃AH₆ с выделением f-H₂O; ② При температуре от 100 до 300 °C/350 °C фазы AH₃ и C₃AH₆ постепенно разлагаются на определенные аморфные безводные продукты с одновременным выделением f-H₂O(g); ③ При температуре выше 800–900 °C продукты разложения гидратации цемента вступают в дальнейшую реакцию с некоторыми минеральными фазами в матрице, в конечном итоге образуя керамическую связующую фазу. На протяжении всего этого процесса прочность материала постепенно увеличивается, в результате чего получается идеальный огнеупорный литейный материал.

Цементно-связанный корундовый огнеупорный бетон

Основными продуктами из Al₂O₃-CA₆ являются цементосвязанные корундовые огнеупорные бетоны и низкоцементосвязанные корундовые огнеупорные бетоны. Оба типа используют традиционные связующие системы на основе алюминатного цемента, которые затвердевают в результате реакций гидратации при температуре окружающей среды. CAC в основном состоит из алюминатов с высоким содержанием оксида алюминия (таких как CA и CA₂) с повышенным содержанием Al₂O₃.

Для стандартного CAC, где химически рассчитанный состав соответствует CA₂, соответствующая реакция выглядит следующим образом:

CA+Al₂O₃→CA₂

Огнеупорные бетоны на основе корунда, содержащие алюминатно-кальциевый цемент (CC/LCC), подвергаются преобразованию минеральных фаз матрицы в α-Al₂O₃ и Ca₆Al₂O₄ во время высокотемпературной обработки или эксплуатации. При температуре 1500 °C весь CaO, присутствующий в CAC, полностью преобразуется в Ca₆Al₂O₄.

Экспериментальные результаты показывают, что огнеупорные бетоны Al₂O₃-CA₆, содержащие кремнеземный дым в матрице, начинают образовывать жидкую фазу при температуре 1345 °C, при этом стабильная фаза состоит из муллита, кальциевого полевого шпата и кристобалита. При длительной эксплуатации этого материала при температурах, превышающих 1350 °C, необходимо учитывать поведение стабильной фазы. Следует отметить, что преимущество огнеупорных бетонов Al₂O₃-CaAl₂O₃-6, содержащих кремнеземный дым, заключается в образовании жидкой фазы при более низких температурах. Это способствует образованию покрытия во время производства материала, эффективно снижая проникновение среды или улучшая упруго-пластические свойства продуктов с высоким содержанием оксида алюминия.

Сцепление между CA6 и спеченным Al₂O₃ или пластинчатым Al₂O₃ превосходит сцепление с плавленым корундом, что указывает на то, что поверхность спеченных агрегатов Al₂O₃ обладает более высокой реакционной способностью, чем поверхность агрегатов плавленого корунда. Одновременно с этим экспериментальные результаты показывают, что огнеупорные бетоны, состоящие в основном из спеченного Al₂O₃ или пластинчатого Al₂O₃, обладают более высокой механической прочностью при комнатной температуре, повышенной прочностью на изгиб при высоких температурах и улучшенной термостойкостью по сравнению с бетонами, в основном состоящими из плавленого корунда.

Идеальные параметры для характеристики извлечения из формы для корундовых отливок

Значение текучести корундовой огнеупорной бетонной смеси через 30 минут. Это указывает на осуществимость и надежность процесса литья на месте. Как правило, для монолитных огнеупорных бетонных облицовок, сформированных вибрацией, значение текучести через 30 минут не должно быть менее 60%. Механическая прочность корундовой огнеупорной бетонной смеси через 24 часа отверждения. Это значение указывает на осуществимость цельного извлечения из формы на месте. Как правило, минимальное требование для успешного извлечения из формы цельных облицовочных бетонов достигается при прочности на изгиб 1,5 МПа при температуре окружающей среды и прочности на сжатие 5 МПа при температуре окружающей среды. Когда оба значения достигнуты, строительство корундовых огнеупорных бетонов может проходить гладко, давая идеальную облицовку после извлечения из формы.