Systems. Methods. Technologies 4 (40) 2018

Системы Методы Технологии. А.С. Устинов и др. Разработка эффективных … 2018 № 4 (40) с. 69-75 71 трамбования. Применение такой графито-шахтной мас- сы основано на возможности использования электро- лизера с нижним вводом анодов для различных соста- вов электролитов. Недостатком указанной массы явля- ется невысокое смачивание материала по местам кон- такта связующего и наполнителя вследствие неболь- шой площади контакта между компонентами в силу размера частиц наполнителя свыше 0,1 мм, что не обеспечивает хорошую адгезию в затвердевшем со- стоянии. Известны углеродсодержащие огнеупоры, изготов- ляемые с повышенной эрозионной стойкостью, которая достигается путем введения упрочняющей добавки [10]. Недостатком полученного таким способом мате- риала является его низкая окислительная устойчивость за счет обезуглероживания рабочего слоя фракции за- полнителя огнеупора. Известен мировой опыт применения композитных технологий на основе углеродных волокон [11–16]. В рамках этой тематики авторами статьи был предложен огнезащитный КМ на основе жидкого стекла с наполни- телем — графитом микронных размеров [17–19]. Дан- ный материал отличают повышенная механическая прочность и способность сохранять неизменными состав и структуру под воздействием высоких температур, что достигается благодаря применению частиц наполнителя из графита размером 1–10 мкм и соотношению компо- нентов веществ исходной смеси, масс. %: наполнитель из графита — 42 %; жидкое натриевое стекло — 50 %; отвердитель, натрий кремнефтористый — 8 %. Применение графита в качестве наполнителя обу- словлено его высокой термической и химической стой- костью. Следует отметить, что КМ характеризуется пористостью. В порах могут протекать химические реакции, происходит окисление углерода до оксида углерода. Избыток кислорода может привести к дого- ранию оксида углерода до диоксида углерода. При этом создается дефицит свободного кислорода. С понижением концентрации кислорода увеличивается количество оксида углерода. В связи с отсутствием в газовой фазе кислорода в порах развивается эндотер- мическая реакция взаимодействия углерода и диоксида углерода. Максимальной концентрации диоксида углерода в слое топлива соответствует и наибольшая температура. По мере увеличения в газовой фазе оксида углерода температура в его макро- и микропорах понижается. Таким образом, технический результат, обеспечи- ваемый разработкой, состоит в повышенной механиче- ской прочности огнезащитного материала, способности сохранять неизменными состав и структуру под воз- действием высоких температур. Данный результат дос- тигается благодаря тому, что микрочастицы наполни- теля графита имеют размерность более 2 мкм (рис. 1). Все составляющие заранее подготавливались в необ- ходимых соотношениях массовых долей: порошок графи- та (42%), жидкое стекло (50%) и отвердитель —натрий кремнефтористый (8%). На следующем этапе происходил замес исходных компонентов. После их смешения в ре- зультате химической реакции получали КМ. Рис. 1. Микрофотография поверхности жидкостекольной композиции с наполнителем графитом (размер изображения по горизонтали 10 мкм) В дальнейшем проводились исследования огне- стойкости КМ. Для этого было изготовлено два образ- ца размером (длина, ширина, высота) 70х35х20 и 70х35х12 мм (рис. 2). Сущность методики исследова- ния заключается в определении времени от начала теп- лового воздействия на КМ (экспериментальный обра- зец) до наступления предельного состояния [20]. Рис. 2. Экспериментальный образец. Схема расположения опытного образца, теплозащитного материала и термопары Предел огнестойкости был определен по потере теп- лоизолирующей способности (I) вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности материала до предельных для данного материала значений, которые составляют 220 ºС . Температура в рабочей камере печи в ходе экспериментов достигала 718 ºС. Экспериментально было установлено, что на про- тяжении 15-минутного теплового воздействия на ис- следуемый образец № 1 толщиной 20 мм температура на необогреваемой поверхности не достигала 220 ºС (рис. 3). Таким образом, был получен предел огнестой- кости по потере теплоизолирующей способности I15, который составил 15 мин. Для подтверждения сделанных выводов были про- ведены дополнительные исследования, а именно опре- делены состав и структура образцов КМ. Первый яв- лялся контрольным и не подвергался нагреву, второй был изготовлен из КМ после нагрева до 718 ºС. Уста- новлено число фаз в исследуемых образцах, а также проведена их идентификация на основе рентгенострук- турного анализа (рис. 4).