Гамова Ольга Олександрівна Вогнетривкий цемент на основі композицій системи ВаО-СоО-Al2O3

Короткий опис

Гамова Ольга Олександрівна, молодший науковий співробітник
кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей
Національного технічного університету «Харківський політехнічний
інститут», тема дисертації: «Вогнетривкий цемент на основі композицій
системи ВаО-СоО-Al2O3», (161 Хімічні технології та інженерія).
Спеціалізована вчена рада ДФ 64.050.043 в Національному технічному
університеті «Харківський політехнічний інститут»

ЗМІСТ
СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ ТА СКОРОЧЕНЬ 5 ВСТУП 6
1 СУЧАСНІ ТЕНДЕНЦІЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ВОГНЕТРИВКИХ
КОРОЗІЙНОСТІЙКИХ МАТЕРІАЛІВ ТА ШЛЯХИ ЇХ МОДИФІКУВАННЯ 14
1.1 Сучасні вогнетривкі матеріали 14
1.1.1 Шляхи модифікування неформованих матеріалів 19
1.2 В’яжучі матеріали для створення вогнетривких матеріалів 28
1.3 Ресурсозбереження у виробництві вогнетривких матеріалів 37
1.4 Будова системи BaO - CoO - Al2O3 й підсистем, що
входять до її складу 42
1.4.1 Будова системи BaO - CoO та характеристика її
основних фаз 42
1.4.2 Будова системи BaO - Al2O3 та характеристика її
основних фаз 45
1.4.3 Будова системи CoO - Al2O3 та характеристика її
основних фаз 51
1.5 Вибір напряму досліджень 53
2 ХАРАКТЕРИСТИКА ВИХІДНИХ СИРОВИННИХ
МАТЕРІАЛІВ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ 55
2.1 Характеристика вихідних сировинних матеріалів 55
2.2 Методи дослідження 61
3 ВИВЧЕННЯ СУБСОЛІДУСНОЇ БУДОВИ СИСТЕМИ
BaO - CoO - AI2O3 66
3.1 Формування термодинамічної бази даних сполук системи
BaO - CoO - AI2O3 66
3.2 Теоретичні й експериментальні дослідження щодо
можливості існування трикомпонентної сполуки ВазСоА^ю в системі BaO - CoO - AI2O3 71
3.3 Субсолідусна будова системи BaO - CoO - AI2O3 та її
основні характеристики 78
3.3.1 Термодинамічний аналіз фазових рівноваг в системі
BaO - CoO - AI2O3 78
3.3.2 Геометро-топологічний аналіз субсолідусної будови
системи BaO - CoO - Al2O3 81
3.4 Оцінка температур і складів евтектик двох- і
трикомпонентних перетинів системи BaO - CoO - Al2O3.... 86
3.5 Висновки за розділом 91
4 СИНТЕЗ ВОГНЕТРИВКИХ ЦЕМЕНТІВ НА ОСНОВІ
КОМПОЗИЦІЙ СИСТЕМИ BaO - CoO - AI2O3 92
4.1 Оцінка особливостей прояву в’яжучих властивостей двох- і
трикомпонентними сполуками системи BaO - CoO - Al2O3 93
4.2 Оптимізація складів вогнетривких цементів на основі
композицій системи BaO - CoO - Al2O3 95
4.3 Дослідження термомеханічних властивостей розробленого
барійалюмінатного цементу 102
4.4 Дослідження особливостей процесів фазоутворення
вогнетривких барійалюмінатних цементів 104
4.4.1 Особливості формування твердих розчинів у псевдобінарному перетині BaAl2O4 - CoAl2O4 127
4.5 Дослідження можливості застосування відходів хімічної
промисловості у технології барійалюмінатних цементів .. 135
4.6 Фізико-хімічні дослідження клінкерів барійалюмінатних
цементів 142
4.7 Дослідження продуктів гідратації барійалюмінатних
цементів на основі системи BaO - CoO - Al2O3 154
4.8 Висновки за розділом 171
5 РОЗРОБКА БЕТОННИХ КОМПОЗИЦІЙ НА ОСНОВІ
БАРІЙАЛЮМІНАТНОГО КОБАЛЬТВМІСНОГО ЦЕМЕНТУ 175
5.1 Оптимізація гранулометричного складу заповнювача
бетону 175
5.2 Дослідження фізико-технічних властивостей бетонів на
основі барійалюмінатного цементу 179
5.3 Дослідження термічних властивостей бетонів на основі
барійалюмінатного цементу 182
5.4 Висновки за розділом 187
ВИСНОВКИ 183
ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ПОСИЛАННЯ 192
ДОДАТОК А Результати розрахунку величини змін енергії
Гіббса твердофазних реакцій системи
BaO-CoO-Al2O3 217
ДОДАТОК Б Поелементний аналіз поверхні сколу
барійалюмінатного клінкеру № 1 224
ДОДАТОК В Технічні умови на виробництво дослідно-
промислових партій вогнетривкого
барійалюмінатного цементу 226
ДОДАТОК Г Акт випуску лабораторної партії 233
ДОДАТОК Д Акт випуску й випробувань барійалюмінатного
цементу спеціального призначення 235
ДОДАТОК Е Акт впровадження вогнетривких бетонів 237
ДОДАТОК Ж Акт впровадження результатів дисертаційної
роботи у навчальний процесс НТУ "ХШ" 238
ДОДАТОК И Список публікацій здобувача за темою дисертації 239

Список літератури

ВИСНОВКИ
В результаті виконання дисертаційної роботи вирішена науково-практична задача розробки спеціальних цементів на основі композицій системи ВаО-СоО-АЬОз з високою міцністю, вогнетривкістю та стійкістю до дії агресивних середовищ. За результатами проведених досліджень зроблено наступні висновки:
1. Розраховано термодинамічні дані для сполук, дані яких відсутні у довідковій літературі та сформовано термодинамічну базу даних всіх сполук системи BaO- C0O-AI2O3; проведено теоретичні дослідження можливості існування потрійної сполуки ВaзСоAl4Olo в системі BaO-CoO-АЬОз, результати яких свідчать, що утворення сполуки Вa3СоAl4O1o термодинамічно більш ймовірно з простих хімічних реагентів, аніж з бінарних сполук - СоА12О4 та Вa3Аl2O6; проведені експериментальні дослідження щодо існування потрійної сполуки Вa3СоAl4O1o не підтвердили результатів теоретичних досліджень та можливості її утворення в системі BaO-CoO-АЬОз; проведено термодинамічний аналіз твердофазних реакцій трикомпонентної системи BaO-CoO-Al2O3 та встановлено субсолідусну будову даної системи без урахування в ній потрійних сполук; в результаті проведеного геометро-топологічного аналізу фаз системи BaO-CoO-Al2O3 встановлено, що найкращі показники спеціальних матеріалів можливо отримати в області, що обмежена точками складів CoO - BaAl2O4 - CoAl2O4, бо саме цей трикутник має порівняно низьку ступінь асиметрії й найбільшу площу, а його фази характеризуються найбільшою вірогідністю існування.
2. Розраховано і проаналізовано температури плавлення і склади евтектик для бінарних і потрійних перетинів системи ВаО-СоО-А12О3, в результаті яких встановлено, що бінарні і потрійні перетини даної системи, які містять у своєму складі кобальтову шпінель, характеризуються температурами плавлення вище 1650 °С. Таким чином, перспективною областю з точки зору створення складів вогнетривких в’яжучих матеріалів на основі композицій системи ВаО-СоО-Al2O3 є потрійний перетин BaAl2O4 - BaAl12O19 - CoAl2O4; проведено оптимізацію перспективної області системи СоО-ВаО-AbO^ за результатами якої встановлено, що барійалюмінатні цементи на основі даної системи з комплексом високих технічних характеристик повинні містити, мас.%: BaAl2O4 - 60 - 80; BaAl12O19 - 20
- 10; C0AI2O4 - 20 - 10;
3. Вивчено вплив кількісного співвідношення моноалюмінату барію та кобальтової шпінелі відповідної конноди обраної області на фізико-механічні властивості отриманих матеріалів. Встановлено, що найкращим комплексом фізико-технічних показників характеризується склад № 3, що містить 40 мас. % BaAl2O4 і 60 мас. % CoAl2O4, а саме: рівномірною зміною об’єму під час тверднення, низьким водоцементним відношенням - 0,16; швидкими строками схоплення: початок - 1 год. 50 хв., кінець - 5 год.; межа міцності при стиску складає
- 65,7 МПа, розрахунковий коефіцієнт масового поглинання ^ = 175 см2/г.; досліджено термомеханічні властивості розробленого барійалюмінатного цементу та встановлено, що отриманий матеріал є вогнетривким - вище 1680 °С із високою термостійкістю - більше 20 теплозмін в умовах 1300 °С - повітря та характеризується низьким ступенем розміцнення в інтервалі температур 20-1400 0С
- до 12 %. Все вищевказане дозволяє використовувати барійалюмінатний цемент як в’яжуче при створенні конструкцій, що працюють в умовах дії високих температур і змінних температурних навантажень.
4. Вивчено процеси мінералоутворення у сумішах, що складаються з ВаСО3, Al2O3 і ^O, барійалюмінатних в’яжучих на основі композицій системи ВаО-СоО- Al2O3. Аналіз якісних і кількісних фазових взаємовідносин, що виконаний з позиції обмеженого характеру твердих розчинів, які утворилися у псевдобінарному перетині ВаAl2O4-CoAl2O4, дозволив встановити, що немонотонні зміни кількості основних фаз у матеріалі зразків після випалу при різних температурах обумовлено особливостями утворення твердих розчинів на основі барієвої і кобальтової шпінелей; встановлено можливість застосування відходів гідрування сірковмісних органічних сполук ПрАТ "Сєвєродонецьке об’єднання Азот" та відходів виробництва амінокапронової кислоти "Заводу хімічних реактивів" НТК "Інститут Монокристалів" як сировини при виробництві барійалюмінатних кобальтвмісних цементів підвищеної вогнетривкості; результати фізико-механічних випробувань розроблених композицій свідчать, що вони відносяться до гідравлічних в’яжучих повітряного тверднення, є швидкосхоплюючими: початок тверднення - 1 год. 20 хв.- 1 год. 30 хв.; кінець - 5 год. 20 хв. - 5 год. 35 хв.; швидкотверднучими: межа міцності при стиску у віці 3 доби - до 50 МПа, що мають високу температуру плавлення - вище 1900 °С.
5. Для одержання вогнетривких бетонів на основі розробленого барійалюмінатного цементу як заповнювач запропоновано використовувати електроплавлений корунд і штучно синтезований гексаалюмінат барію, які характеризуються матричною спорідненістю із цементом. За допомогою симплекс- гратчастого методу аналізу проведено підбір співвідношення зернового складу заповнювача та встановлено, що раціональний склад бетону має містити фракції, мм: 2,5 - 1,25 - 30 мас. %; 1,25 - 0,63 - 10 мас. %; < 0,63 - 60 мас. %; визначено основні фізико-технічні характеристики розроблених бетонів на основі барійалюмінатного цементу та встановлено, що бетони як на електроплавленому корунді, так і на гексаалюмінаті барію характеризуються високою термостійкістю
- більше 20 теплозмін в умовах нагріву 1400 °С - повітря, низьким ступенем розміцнення - 11,96-12,2 %, температурою початку деформації під навантаженням
- 1490 °С - 1580 °С, стійкістю до дії агресивного середовища та можуть бути рекомендовані для подальшого використання у теплових агрегатах й установках вогнетривких і металургійних підприємств.
Список публікацій здобувача за темою дисертації та відомості про апробацію результатів наведено у додатку И