Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов




НазваниеПрогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов
страница2/12
Дата конвертации16.11.2012
Размер1.47 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

СПИСОК литературЫ


1. Некрасов К.Д., Тарасова А.П. Жаростойкий бетон на портландцементе. – М.: Стройиздат, 1969. –192 с.

2. Тарасова А.П., Карпова А.Л. Ячеистые жаростойкие бетоны// Исследования в области жаростойкого бетона. М.: Стройиздат, 1981. 80-90 с.

3. Хашмелашвили Н.А. Теплоизоляционный жаростойкий перлито-шамотный пенобетон: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тбилиси, 1988. 22 с.


УДК 666.1.038.33

Хлыстов А.И. д-р техн. наук, профессор

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Соколова С.В., ст. преподаватель

Самарская государственная академия путей сообщения


ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ФОСФАТНЫХ СВЯЗОК
ПРИ РЕМОНТЕ ФУТЕРОВОК ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ



В настоящее время для кладки футеровок печей применяют в основном штучные керамические огнеупоры. Доля применения жаростойких бетонов в футеровочных конструкциях пока еще не велика. Поэтому разработка способа ремонта футеровок тепловых агрегатов, выполненных как из штучных огнеупоров, так и из жаростойких бетонов является актуальной задачей. Это обстоятельство позволит в дальнейшей мере экономить дорогостоящие и дефицитные штучные огнеупоры. Дело в том, что долговечность футеровок промышленных печей измеряется месяцами, реже годами. Широко применяемый шамотный огнеупор имеет, к сожалению, низкую термическую стойкость, всего 10 водных теплосмен. Для его производства в основном используются огнеупорные глины, месторождения которых в Российской Федерации истощаются. Большинство месторождений высококачественной огнеупорной глины и каолинов сосредоточено на территории Украины, а Украина - это уже иностранное государство.

Многие огнеупорные заводы и предприятия по производству фарфоровой продукции РФ вынуждены покупать огнеупорное сырье на Украине.

По последним данным стоимость шамотного кирпича в Самарской области размером 230х115х65 составляет 12-15 руб. за штуку.

Из всех связующих фосфатные связки имеют повышенную адгезию к огнеупорам и металлам, и логично выбрана фосфатная связка как основа всех ремонтных масс. Известно, что огнеупорные материалы на основе фосфатных связок также имеют высокие физико-термические показатели и повышенную химическую стойкость ко многим агрессивным средам. Поэтому способ ремонта огнеупорных футеровок с применением фосфатных связующих пригоден для многих печей как металлургической и химической отраслей, так и печей промышленности строительных материалов.

При ремонтах существующих тепловых агрегатов, футерованных, штучными огнеупорами, применяют огнеупорные покрытия, выполняемые в виде защитных обмазок.

Жароупорная защитная обмазка позволяет резко сократить расходы дорогостоящих огнеупоров, а ремонт теплового агрегата сводится к очистке старого выработанного слоя обмазок и нанесению нового, без разборки основной кладки.

Поскольку в настоящее время фосфаты и полученные на их основе фосфатные связующие широко применяются в жаростойких бетонах, исследование влияния структурно-энергетических особенностей фосфатов на их свойства при высоких температурах приобретает большой интерес.

Анализ поведения материалов при их переработке и эксплуатации в сооружениях показывает, что наличие того или иного комплекса свойств определяется двумя факторами: свойствами веществ, из которых состоит материал, а также структурой и текстурой самого материала.

Важным фактором в создании количественной характеристики свойств является расстояние между ионами. Однако величина его с достаточной точностью может быть определена только в идеальных кристаллах. В реальных кристаллах закономерность расположения ионов часто нарушается вследствие дефектов структуры, заключающихся в существовании вакантных узлов в решетке, смещении иона относительно его места в решетке, внедрении посторонних ионов другого размера и заряда, блочной структуры, дислокаций и т. п.

В таких случаях о расстоянии между ионами можно судить только косвенным путем. Такой структурной косвенной характеристикой гомогенных систем может служить ионная плотность (Pi), т.е. степень заполнения объема ионами.

Ионную плотность [1] можно определить по выведенной А.А. Новопашиным формуле:


Pi =2,52. γу / М . Σк ni ri3 , (1)


где γу – плотность вещества, г/см3;

М – молекулярный вес;

ni – число ионов данного вида в молекуле;

ri – радиус иона, Å;

К – коэффициент, учитывающий координацию катиона при координационном числе.

Ионная плотность усредняет расстояния между ионами, маскируя тем самым внутреннюю неоднородность систем, которые принято считать гомогенными. Но зато она достаточно чутко реагирует на


общее разрыхление или уплотнение структуры вещества и на вызванное ими изменение величины электростатических сил связи.

Для преодоления силы, удерживающей ион в пределах кристаллической решетки, требуется затратить некоторое количество энергии, которое называется энергией кристаллической решетки и выражается в ккал/моль, или кДж/моль.

А.А. Новопашиным [1] найдено простое математическое выражение, связывающее энергию кристаллической решетки (- U) с величиной ионной плотности вещества (Pi), с зарядом катионов (Е) и числом их (n):


-U = (360 / М) . Рi . Σ n E2,15 ккал/г (2)


В системе МеО - Р2О5 - Н2О вяжущие свойства проявляются тем в большей степени, чем меньше ионный радиус катиона металла. Практически установлено, что оксиды Al2O3, Cr2O3, MnO2, Co2O3, SnO2, PbO2, MoO3, TiO2, ZrO2 твердеют с Н3РО4 только при нагревании; оксиды Fe2O3, Y2O3, FeO, Mn2O3, NiO, CuO, SnO, V2O5 твердеют при комнатной температуре, и оксиды CaO, SrO, BaO, MnO, HgO из-за бурно протекающих реакций с Н3РО4 не твердеют [2].

Из всех известных жаростойких вяжущих фосфатные связующие обладают повышенными термической стойкостью и химической сопротивляемостью.

Известно, что гидрооксиды металлов являются более химически активными по сравнению с оксидами. Они присутствуют в большом количестве во многих промышленных отходах (пиритные огарки, шлам щелочного травления алюминия и др.).

В связи с этим авторами на основе теории А.А. Новопашина [1] были произведены расчеты энергии кристаллической решетки ряда гидрооксидов некоторых металлов. На основании полученных данных гидрооксиды были классифицированы по степени взаимодействия с ортофосфорной кислотой. Результаты расчетов энергии структуры для наиболее часто используемых для синтезирования фосфатных связующих гидрооксидов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Энергия кристаллической решетки гидрооксидов некоторых металлов


Гидрооксиды

некоторых металлов



Плотность,

г/см3



Ионная плотность,

Pi


Σn.E2,15



Энергия кристаллич решетки, Дж /г


Al (OH)3

Fe (OH)3

Be (OH)2

Mg (OH)2

Ca (OH)2

Fe (OH)2

Li OH

Ba (OH)2

Na OH

Pb (OH)2

Cs OH


2,424

3,4 - 3,9

1,9 - 2,4

2,35 - 2,46

2,24

3,4

1,43

4,5

2,130

7,592

3,675


0,603

0,741

0,471

0,554

0,510

0,526

0,356

0,551

0,463

0,572

0,608


21,22

21,22

4,44

4,44

4,44

4,44

1,0

4,44

1,0

4,43

1,0


246,58

221,75

72,40

63,45

46,02

39,17

22,36

21,53

17,43

15,84

6,10


Исходя из величин энергии кристаллической решетки гидрооксиды металлов по их взаимодействию можно подразделить на бурновзаимодействующие, нормальнотвердеющие и активные (таблица 2) [3].

Таблица 2

Классификация гидрооксидов металлов по их взаимодействию с Н3РО4

№ группы

Характер взаимодействия гидрооксидов с ортофосфорной кислотой

Энергия структуры кристаллической решетки, Дж/г

I

Бурновзаимодействующие

221,75-246,58

II

Нормальнотвердеющие

39,17-72,40

III

Активные

6,10-22,36


Температура плавления фосфатов, в частности, трехзамещенных, зависит от многих структурно-энергетических показателей. Так на температуру плавления фосфатов (Т) в значительной степени влияет радиус модифицирующего катиона.

Для силикатных систем известна зависимость T = f (Pi . rмк) [1]. Но поскольку между силикатными и фосфатными системами имеется аналогия, нам [4] удалось получить подобную зависимость для фосфатов.

Температура плавления фосфатных соединений является функцией от ионной плотности и средней энергии связи:


tпл= f(Pi; Еср), (3)


Обработка диаграмм состояния фосфатных систем, а также литературных данных о температуре плавления трехзамещенных ортофосфатов позволила нам [4] вывести формулу для определения фактора плавкости фосфатов:


F=100/Pi1|3.Еср, (4)

где Pi – ионная плотность соответствующего фосфата типа Rm(PO4)n;

Еср.- средняя энергия связи фосфата типа Rm(PO4)n.

В таблице 3 представлена зависимость температуры плавления фосфатов металлов от их структурно-энергетических характеристик. Фосфаты металлов расположены по группам, соответствующим их валентностям.

Они отвечают выведенному нами уравнению [4]:

tпл = 376,8 n.F, (5

где n – валентность катиона;

F – фактор плавкости.

Таблица 3

Зависимость температуры плавления фосфатов металлов от их структурно-энергетических характеристик

Валент-ность

Название вещества

Химическая формула

Температура плавления, 0С

Фактор плавкости

I

Фосфат алюминия

Фосфат бора

Фосфат хрома

Фосфат железа

Фосфат иттрия

Фосфат лантана

AlPO4

ВРО4

CrPO4

FePO4

YPO4

LaPO4

2050

1010

1760

1300

1700

2200

1,5

1,18

1,46

1,3

1,45

1,7

II

Фосфат бария

Фосфат бериллия

Фосфат кальция

Фосфат стронция

Ba3(PO4)2

Be3(PO4)2

Сa3(PO4)2

Sr3(PO4)2

1630

1200

1670

1700

2,0

1,6

2,08

2,03

III

Фосфат цезия

Фосфат лития

Фосфат натрия

Cs3PO4

Li3PO4

Na3PO4

1830

820

1490

4

2,6

3,61


Определяющим фактором повышения долговечности является электропроводимость цементного камня и бетона в целом на данном вяжущем. Многолетний опыт эксплуатации керамических и бетонных футеровок показал, что к комплексу показателей долговечности наряду с термостойкостью и химическим сопротивлениям обязательно следует отнести еще одну характеристику – электропроводность. Установлено, что при высоких температурах электросопротивление футеровочных материалов значительно изменяется, а именно, падает, следствием чего является снижение их термической и химической стойкостей, т.е. основных показателей, определяющих долговечность [5].

В процессе исследования выявлено, что такие основные свойства жаростойких бетонов и шамотных огнеупоров, а именно термостойкость и химическая сопротивляемость, определяющие долговечность футеровок, возможно регулировать через весьма важную и чувствительную к изменению температуры характеристику как электропроводимость.

Таким образом, оптимизируя структуру огнеупоров путем применения пропиточно-обмазочной технологии по существенному показателю как первичное максимальное электоросопротивление можно повысить их физико-термические показатели.

После нанесения фосфатной пропиточно-обмазочной композиции на футеровку наблюдается повышение ее электросопротивления. В результате этого уменьшается адгезия расплава алюминия и других агрессивных расплавов к рабочей поверхности футеровки, что ведет к увеличению ее срока службы.

Для приготовления пропиточно-обмазочных составов используются высокоглиноземистые тонкодисперсные материалы, глиноземсодержащие шламы, фосфатные связки, растворы ортофосфорной кислоты различной концентрации (таблица 4).

Путем применения пропиточно-обмазочной технологии при использовании штучных огнеупоров имеется возможность перехода с более дорогостоящих огнеупоров на весьма дешевые и доступные по следующему ряду:

  • корундовый огнеупор - муллит;

  • высокоглиноземистый огнеупор - шамот.

Аналогичные замены возможно осуществлять и с огнеупорами другого рода (магнезитовые, хромитовые, динасовые и др.).


Таблица 4

Изменение электросопротивления шамотной футеровки в зависимости от типа пропиточно-обмазочного состава и температуры

Составы обмазок

Удельное электросопротивление ρ, Ом.см при t , 0С

6000С

8000С

10000С

12000С

Н3РО4 70%

Al2O3+ Н3РО4 70%

Cr2O3+ Н3РО4 70%

ZrO2+ Н3РО4 70%

ИМ-2201+ Н3РО4 70%

3.106

4.106

5.106

5,4.106

4,8.106

2,3.106

4.106

5.106

5,1.106

4,2.106

1,3.105

4.105

5.105

4,5.105

3,3.105

3.104

4.104

5.104

3,5.104

1,9.104


Путем применения пропиточно-обмазочной технологии удалось внедрить на ряде предприятий новый способ ремонта футеровок тепловых агрегатов.

В ООО «Ресал» (филиал Самарского металлургического завода) был осуществлен ремонт футеровки роторной вращающейся печи с помощью фосфатных обмазок и жаростойкого бетона на жидком стекле повышенной термостойкости.

В ОАО «Керамзит» был осуществлен ремонт футеровки двухбарабанной вращающейся керамзитообжигательной печи с помощью пропиточно-обмазочных композиций фосфатного твердения [6].

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Похожие:

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов iconРешение эллиптического уравнения методом конечных элементов на радиально базисных нейронных сетях
Целью данной работы является рассмотрение нового подхода к реализации метода конечных элементов на нейронных сетях

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов iconАнализ профилей мод интегрального анизотропного оптического волновода методом конечных элементов
Целью настоящей работы является математическое моделирование дисперсионных характеристик и профилей мод интегрального оптического...

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов iconСравнение метода конечных объёмов и метода галёркина для задачи бюргерса
На примере решения уравнения Бюргерса сравнивается эффективность метода конечных объёмов и метода Галёркина

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов icon20 Выбор сетки конечных элементов 20 Сходимость мкэ
Для несовместных элементов аналогичные оценки получены в серии работ И. Д. Евзерова и В. С. Карпиловского (см., например, [8], [13])....

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов icon«Исследование расчетной модели каменной и армокаменной кладок с помощью метода конечных элементов»
«Усиление железобетонных колонн композиционными материалами при сейсмических воздействиях»

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов iconРазработка моделей метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций мостовых сооружений
Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов iconСтруктурирование опционных продуктов на основе метода оптимизации конечных денежных выплат
Стандартные и сложные опционные продукты на фондовом рынке

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов iconА. Ю. Липинский, А. Н. Рудякова, В. В. Данилов
Проектирование акустооптических цифровых процессоров требует использования численных методов расчета, позволяющих учесть конечную...

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов iconЧисленное осреднение характеристик композитов с помощью вейвлет-преобразования и метода конечных элементов
Приводятся численные результаты вейвлет-осреднения коэффициента проницаемости среды. Проводится сравнение полученных эффективных...

Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов iconВопросы к экзамену по курсу «Железобетонные конструкции»
Требования предъявляемые к трещиностойкости железобетонных элементов и методы ограничения появления и ширины раскрытия трещин


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница