Анализ распространенных проблем огнеупорных бетонов: Подробное объяснение причин образования высолов, рассыпания, усадки и выпотевания

Огнеупорный бетон — это широко используемый тип неформованного огнеупорного материала, относящийся к системе гидравлических огнеупорных материалов. Бетоны обычно состоят из огнеупорных заполнителей, огнеупорных порошков, связующих и различных добавок. В процессе строительства добавляется вода, смесь перемешивается, затем заливается в формы и уплотняется с помощью вибратора. Они широко используются в футеровке высокотемпературных промышленных печей в металлургии, производстве строительных материалов, энергетике и химической промышленности.

В процессе эксплуатации, если некоторые огнеупорные бетоны после распалубки не подвергаются надлежащей сушке в печи и остаются на воздухе в течение некоторого времени, на поверхности может появиться «белый налет» или «белый иней», за которым следует постепенное осыпание и распыление, при этом при прикосновении заметно осыпается песок. Это явление в промышленности обычно называют высолами.

Основная причина образования высолов связана со щелочными веществами, содержащимися в сырье бетона. Заполнители, порошки, алюминатный цемент и добавки, такие как диспергаторы, пластификаторы и ускорители, часто содержат небольшие количества оксидов щелочных металлов, таких как Na₂O, K₂O и Fe₂O₃. После смешивания бетона с водой часть этих щелочных веществ растворяется в воде и мигрирует на поверхность вместе со свободной водой. Когда эти щелочные компоненты достигают поверхности, они реагируют с диоксидом углерода в воздухе, образуя карбонаты, тем самым образуя белые отложения на поверхности бетона, которые выглядят как «белый налет» или «белый иней».

Следует отметить, что образование высолов, как правило, существенно не влияет на общие огнеупорные свойства бетона, но может вызвать рыхлость и шероховатость поверхности, ухудшая внешний вид, а в тяжелых случаях может привести к рассыпанию поверхности. Для алюминатных огнеупорных бетонов рассыпание поверхности обычно имеет две причины: одна — это рыхлость поверхности, вызванная миграцией щелочных примесей, а другая — реакция карбонизации продуктов гидратации цемента на воздухе. Эти реакции склонны к повторению во влажной среде; поэтому надлежащее отверждение и своевременная сушка в печи имеют решающее значение.

Огнеупорные бетоны также могут испытывать проблемы с усадкой во время эксплуатации, особенно усадку на низкотемпературной стадии. Если скорость изменения объема литейной футеровки слишком велика, это может повредить структуру футеровки печи, приводя к трещинам и даже отслаиванию, тем самым сокращая срок ее службы. Усадка литейной футеровки происходит в основном в два этапа: во-первых, в процессе сушки после извлечения из формы происходит постепенное удаление внутренней свободной и кристаллизационной воды, что вызывает изменение объема; во-вторых, при использовании при высоких температурах в материале происходят химические реакции или фазовые превращения, приводящие к линейным изменениям. Эти проблемы часто связаны с нерациональным соотношением компонентов в составе литейного материала.

В реальном производстве оптимизация состава матрицы литейного материала может эффективно уменьшить усадку. Например, введение в состав металлического кремния, порошка кианита или порошка андалузита может в определенной степени улучшить характеристики линейного изменения при высоких температурах. Среди них металлический кремний оказывает наиболее значительный компенсационный эффект усадки при высоких температурах, эффективно противодействуя высокотемпературной усадке литейного материала при 1400°C, уменьшая проблемы растрескивания во время эксплуатации. Однако из-за высокой стоимости металлического кремния обычно требуется разумный баланс между производительностью и стоимостью.

Кроме того, после укладки литейного материала может наблюдаться расслоение. Огнеупорные литейные материалы изготавливаются путем смешивания заполнителей, порошков, связующих и добавок с водой. В идеале все компоненты распределены равномерно и стабильно, но в некоторых случаях вода может подниматься и отделяться, что называется расслоением. В зависимости от состояния воды в литейном материале ее можно разделить на связанную воду, смачивающую воду и свободную воду. Свободная вода слабо связана с твердым материалом и легко мигрирует вверх по пористым каналам, что является основной причиной расслоения.

Расслоение образует слой шлама на поверхности литейного материала. Когда этот слой шлама теряет воду, его прочность недостаточна, что легко приводит к поверхностным трещинам; внутри поднимающаяся вода образует каналы расслоения и локальные пустоты, делая структуру материала неоднородной и влияя на общие характеристики литейного материала. На расслоение влияют многие факторы, включая выбор сырья, распределение частиц по размерам, разницу плотности, вязкость литейного материала и процесс укладки. Как правило, чем крупнее частицы, тем больше разница плотности и ниже вязкость, тем сильнее проявляется явление расслоения.

Метод вибрационного уплотнения во время укладки также существенно влияет на водоотделение. Чрезмерная продолжительность вибрации может привести к чрезмерному разжижению литьевой смеси, что облегчает отделение свободной воды. Поэтому вибрацию следует контролировать в соответствующих пределах, в идеале до тех пор, пока поверхностное водоотделение и пузырьки воздуха в значительной степени не исчезнут, избегая чрезмерной вибрации. Кроме того, неправильный контроль времени схватывания также может усугубить водоотделение; медленное схватывание может привести к оседанию частиц и отделению воды. Рациональный выбор диспергаторов и ускорителей схватывания, обеспечивающих надлежащую удобоукладываемость, позволяет эффективно уменьшить проблему водоотделения в литьевых огнеупорных материалах.