Воронов Г.В., Старцев, В.А. Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения

Подождите немного. Документ загружается.

ек выполняют шамотным кирпичом общего назначения класса «В», огнеупор-

ность которого не ниже 1610

С, а предел прочности при сжатии (σ

сж

) не ниже 9,8

МПа, что обеспечивает его удовлетворительную службу в средних слоях выше-

перечисленных элементов кладки нагревательных колодцев.

Кладку стен камеры рекуператора ведут шамотным кирпичом класса «Б»,

огнеупорность которого ≥1670°С, а σ

сж

≥12,3 МПа.

Крышки нагревательных колодцев находятся в сравнительно трудных ус-

ловиях службы и футеруют их шамотным кирпичом класса А.

Футеровку воздушного канала производят легковесным шамотным, кир-

пичом, сокращающим тепловые потери. Кладку верхней части стен ячеек и сво-

дов над рекуператорными камерами обычно производят динасом. При этом нуж-

но избегать резких колебаний температуры, вследствие низкой термостойкости

динаса. Возможно также применение основных сводов. Не следует применять

шамотный кирпич вследствие его недостаточной строительной прочности при

высоких температурах.

Для кладки нижнем части стен ячеек, верхнего ряда подины и футеровки

горловины следует использовать огнеупорные изделия с повышенной механиче-

ской прочностью при температурах службы нагревательных колодцев. Здесь

применяют хромомагнезитовый кирпич.

Отрицательным фактором, способствующим разрушению комбинирован-

ной футеровки нагревательных колодцев, является различная усадка слоев из ог-

неупорного бетона и кирпича, в результате чего из центральной части стен бе-

тонная масса начинает выпадать.

Монолитные боковые стены нагревательных колодцев имеют срок служ-

бы футеровки до 44-45 месяцев.

Рекуператор в колодцах работает в условиях стационарного теплового

потока, когда тепло постоянно передается от остывающих дымовых газов к на-

греваемому воздуху или газу через разделительную стенку. Между воздушной и

дымовой сторонами рекуператоров всегда существует перепад давлений, поэто-

му неплотности в рекуператорной насадке приводит к утечке воздуха, дости-

гающей иногда 40-50%, что резко снижает долю тепла, полезно используемого в

рекуператоре.

Мероприятия, способствующие повышению стойкости огнеупорной

футеровки. Покрытие подины печи слоем технического глинозема в колодцах,

замешанным на ортофосфорной кислоте, содержащей 76% Н

РО

, позволяющей

получить после сушки и обжига при 850-900°С плотный, стекловидный матери-

ал. Этот материал практически не взаимодействует с окалиной и дает возмож-

ность защищать подину печи от агрессивного действия оксидов железа.

Применение набивных масс. К ним относят хромитовые массы, схваты-

вающиеся на воздухе и отличающиеся хорошей устойчивостью к истиранию и

химическому воздействию шлаков. Муллитовые набивные массы высокой тер-

мической стойкости и хорошей шлакоустойчивости. Однако применение этих

масс ограничивается вследствие возможного разложения муллита под действием

оксида железа при высоких температурах.

Использование масс из огнеупорного бетона повышает стойкость элемен-

тов кладки и сокращает продолжительность ремонтных простоев. Конструкция

передних стен колодцев проста, поэтому применение бетонных огнеупоров не

вызывает затруднений. Преимущества огнеупорных монолитных масс перед

кирпичом заключаются в простоте изготовления конструктивных элементов, не-

обходимости в запасах огнеупорных изделий определенных форм, быстроте ус-

тановки, более простом обслуживании и более низкой теплопроводности.

6.3.2. Огнеупоры в кольцевой печи

Кольцевая нагревательная печь (например, НТМК) предназначена для на-

грева колесных заготовок перед прокаткой.

Основные конструктивные особенности замкнутое кольцевое простран-

ство, смежное расположение окон посада и выдачи, вращающийся под, наличие

рекуператоров для нагрева газа и воздуха и позонный отвод продуктов горения в

дымовую трубу с помощью дымососов.

Температурный график предусматривает трехзонный нагрев металла в

методической, сварочной и томильной зонах.

Для использования тепла отходящих газов печь имеет 2 металлических

рекуператора игольчатый и трубчатый.

Рабочее пространство (стены) выполнены из шамотного кирпича класса

«Б» с изоляцией из легковесного шамотного кирпича. Свод печи арочной из ша-

мотного кирпича класса «Б». Под печи футерован штучными огнеупорами ниж-

ний слой шамотным легковесным кирпичом, верхний слой – хроммагнезнтовым.

Механизм и причины разрушения огнеупоров. Интенсивному износу

подвержена подина печи вследствие механического воздействия заготовок из

металла, действию переменных температур, достигающих 1400°С, и коррозион-

ного действия оксидов железа.

Основной причиной износа подин является коррозионное воздействие ок-

сидов железа, образующихся в результате окисления заготовок при нагреве.

Скорость окисления Fe в температурном промежутке 800-1250°С возрастает

примерно в 10 раз. При более высоких температурах окисление железа происхо-

дит весьма интенсивно, причем образующаяся окалина на поверхности заготовки

размягчается и стекает на под печи.

Степень взаимодействия окалины с подом зависит от свойств применяе-

мого огнеупорного материала для пода печи.

Шамотные огнеупорные изделия начинают взаимодействовать с оксидами

железа в восстановительной среде при 1300°С и выше. Хроммагнезитовые огне-

упорные изделия проявляют большую стойкость. Верхний слой подин футеро-

ван хромомагнезитовыми огнеупорными изделиями, продолжительность их

службы составляет в среднем один год. Образующаяся на поверхности стальной

заготовки окалина имеет слоистое строение и может состоять из трех (FeO,

, Fe

), двух (FeO, Fe

или Fe

), из одного (FeO или Fe

) оксида же-

леза, причем наиболее интенсивное взаимодействие между огнеупорным мате-

риалом и окалиной наблюдается в момент ее образования. При этом механизм

износа огнеупорного материала можно представить в виде следующей схемы -

при 1200-1350°С металл интенсивно окисляется, и образующиеся оксиды Fe ак-

тивно взаимодействуют с огнеупорным материалом. Затем оксиды проникают

внутрь пор огнеупорного материала и вызывают интенсивное разбухание, при-

водящее к разрушению огнеупорного материала. Это явление наблюдается при

нагревании металла в окислительной среде, находящегося в контакте с хромо-

магнезитовыми огнеупорами.

Глубина проникновения расплавленных оксидов Fe внутрь огнеупорного

материала зависит от величины пористости. При одном и том же минералогиче-

ском составе химическая стойкость огнеупоров увеличивается с уменьшением

их пористости и удельной поверхности.

Выбор огнеупорных материалов для кладки стен и сводов печей не пред-

ставляет особых затруднении, так как эти конструктивные элементы кладки ра-

ботают практически в отсутствии воздействия оксидов железа, механического

износа и при относительно невысоких температурах.

Для уменьшения тепловых потерь через стены в окружающую среду их

делают двухслойными: внутренний слой - шамотный и наружный - из легковес-

ного шамотного кирпича с изоляцией. Величина теплового потока через кладку

зависит от толщины слоя и свойств материала. Чрезмерное увеличение толщины

теплоизоляционного слоя нежелательно, так как это может привести к снижению

механической прочности стен.

Тепловая изоляция стен осуществляется из теплоизоляционного кирпича

как обычная кладка. При кладке стен необходимо предусмотреть температурные

швы. Во избежание подсосов воздуха или потерь тепла температурные швы за-

полняют слегка увлажненной огнеупорной массой, а при кладке насухо-

огнеупорным порошком.

В стенах печей всегда имеются отверстия рабочие и смотровые окна для

установки горелочных устройств и контрольно-измерительной аппаратуры. Эти

отверстия ни в коем случае не должны ослабить кладку стен и свода.

Свод печи выполняют плоским или лучковым. Радиус кривизны лучко-

вых сводов обычно берут равным проему свода, т.е. ширине печи.

Геометрические характеристики лучковых сводов металлургических пе-

чей

Отношение стрелы свода к пролету, h/s 1/12 1/10 1/8 1/7,5 1/6 1/4 1/2

Центральный угол α, град. 38 45 56 60 74 106 180

Отношение пролета к радиусу, S/r 0,65 0,77 0,94 1,0 1,2 1,6 2,0

Под действием веса (Р) и высокой температуры, лучковый свод создает

распорное усилие. Свод, выкладывают в перевязку, в этом случае он обладает

большей прочностью.

Некоторые характеристики и материалы сводов представлены в табл.6.14

Таблица 6.14.

Характеристика и материалы сводов нагревательных печей

при температуре рабочего пространства печи 1300-1350°

Ширина

пролета

свода, м

Внутренний слой Слой теплоизоляции

Толщина,

мм

Материал Толщина,

мм

Материал

до 3,5

>3,5

230

300

Шамотный

Кирпич класса А

150-200

Изоляционная

засыпка

до 3,5

>3,5

300

Динас

Шамотный кирпич

класса А

150-200

Изоляционная

засыпка

Во время нагрева могут возникнуть значительные перенапряжения в кир-

пиче со стороны факела, что приведет к скалыванию его внутренней поверхно-

сти. При эксплуатации печей существенное значение имеет их экономная тепло-

вая работа. Применяя легковесные огнеупорные изделия для тепловой изоляции

печей, можно снизить расход теплоты на нагрев и термообработку изделий,

табл.6.15.

Таблица 6.15.

Эффективность применения легковесных огнеупоров во

внутренней футеровке промышленных печей

Легковес Название пе-

чи

Элементы

кладки из лек-

говесных ог-

упоров

Максимальная

температура

б °С

Сокращение вре-

мени, %

Снижение расход

топлива или элек-

троэнергии, %

При ра-

зогреве

При

нагреве

При ра-

зогреве

При

нагрев

Пеношамотный Нормализация

деталей

Стены и

свод

850-

870

В 2,4

раза

- В 3,2

раза

Каолиновый Нагрев заго-

товок

Съемный

свод

1300-

1350

- - - 15

Ультралегковес Нагрев сталь-

ных деталей

Свод и

стены

850-

950

18-34 15-17 11-20 -

Легковесные огнеупоры целесообразно применять в кладке рабочей (ог-

невой) футеровке печей, если огнеупорный легковес не подвергается непосред-

ственному воздействию ударов и истиранию, а также соприкосновению с рас-

плавленным металлом, шлаками, окалиной и т.д.

6.3.2.1. Керамические рекуператоры.

Керамические рекуператоры компонуются из специальных элементов –

блоков или труб, поэтому и носят название либо блочных, либо трубчатых.

Достоинством керамических рекуператоров, является значительный срок

службы при высоких температурах подогрева воздуха. Рекуператоры из керами-

ческих блоков работают обычно без ремонтов несколько десятков лет. Посколь-

ку срок службы таких рекуператоров большой и в обслуживании они не нужда-

ются, их можно располагать в малодоступных местах, например под печью

(рис.6.24). Другим преимуществом рекуператоров из керамических блоков явля-

ется сравнительно низкое сопротивление на пути движения воздуха. По этой

причине давление газа перед горелкой, необходимое для преодоления противо-

давления воздушной трассы, может быть ниже, чем в случае применения кера-

мических рекуператоров других типов.

В течении длительного времени для изготовления насадки керамических

рекуператоров применяли шамотные огнеупорные изделия. Основной частью

шамотного рекуператора является установленные вертикально фасонные блоки,

образующие горизонтальные швы. Воздух движется снизу вверх по четырем ка-

нала внутри каждого блока. Дымовые газы проходят между блоками и омывают

их с двух сторон (рис.6.25.)

Эффективность работы керамических рекуператоров зависит от коэффи-

циента теплопередачи, герметичности и удельной поверхности нагрева.

Так как керамические рекуператоры обычно собирают из отдельных труб

или блоков, то это создает в насадке многочисленные швы, положение и длина

которых существенно влияют на герметичность рекуператоров. Лучшая плот-

ность достигается при горизонтальном расположении швов, так как при этом

происходит самоуплотнение шва под действием массы частей рекуператора,

расположенных выше.

Рост рекуперативной насадки в верхней части компенсирует не связывая

ее жестко с окружающими стенками. Для герметизации образующегося при этом

зазора применяются песочные растворы.

Теплообменные элементы рекуператоров – трубки изготавливают из ог-

неупорных материалов, характеризуемых повышенной строительной прочно-

стью при высоких температурах и достаточно хорошей теплопроводностью.

Обычно для этой цели применяют шамотно-карборундовые трубки (рис.6.26).

Этот рекуператор набирают из восьмигранных трубок, которые располагают в

шахматном порядке и соединяют между собой при помощи шамотных восьми-

гранных муфт. Дымовые газы движутся внутри трубок сверху вниз, а воздух

омывает керамические трубы с наружи, двигаясь горизонтально в несколько хо-

дов. Таким образом осуществляется перекрестно-противоточная схема теплооб-

мена. По дымовому пути рекуператор одноходорвый, а по воздушному пути –

многоходовый.

Существуют карборундовые изделия двух видов: 1) Рефраксовые – рек-

ристаллизованный черепок состоит в основном из кристаллов карборунда;

2) Карбофраксовые – изготовленные из полидисперсного карборунда на

глинистой связке.

Рекристаллизованные карборундовые изделия отличаются высокой теп-

лопроводностью – при ~300°С она составляет ≈28Вт/м К. Строительная проч-

ность этих изделий очень высока, так как начало их деформации под нагрузкой

0,2 МПа наблюдается при температуре превышающей 1800 °С.

Пористость рефраксовых изделий достигает 25 – 30%. Это является их

существенным недостатком, так как вызывает повышенную шлакопроницае-

мость. Увеличить плотность рефраксовых изделий можно, применяя горячие

прессование с добавками различных связок, но это повышает их стоимость. Чем

больше содержится карборунда, тем выше теплопроводность этих изделий.

Рис. 6.24. Трехзонная методическая нагревательная печь с керамическим

блочным рекуператором

Рис.6.25. Конструкция блочного рекупера-

тора

Рис.6.26. Конструкция трубчатого рекуператора

Термическая стойкость и теплопроводность карбофраксовых огнеупор-

ных изделий в 5 – 10 раз выше, чем у шамотных изделий. Механическая проч-

ность почти в 10 раз выше шамотных изделий.

Недостатком карборундовых огнеупоров является их склонность к окис-

лению, которое начинается в присутствии кислорода при ~1000°С и протекает

интенсивно в интервале 1550-1600°С.

Снизить окисляемость можно добавлением в шихту для их изготовления

3 % Ва(ОН)

, ВаSO

или 10 % ферросилиция.

Изготовление рекуператорных труб из различных карбидов, нитридов и

боридов металлов, характеризуемых высокой теплопроводностью, термической

стойкостью, механической прочностью и, в ряде случаев, высокой стойкостью к

действию окалины. Однако технологические трудности изготовления из этих ма-

териалов изделий сравнительно крупных размеров и высокая стоимость в на-

стоящее время исключает их применение для изготовления теплообменных эле-

ментов рекуператоров.

Увеличить эффективность тепловой работы рекуператора можно либо

уменьшением толщины разделительной стенки, либо увеличением коэффици-

ента теплопроводности огнеупорного материала, из которого выполнена разде-

лительная стенка.

Первым способ имеет очень ограниченные возможности, так как с

уменьшением толщины стенки снижается устойчивость и строительная проч-

ность рекуперативной насадки.

Второй способ имеет больше возможностей и его осуществляют изысканием и

применением огнеупорных материалов, характеризуемых большей теплопро-

водностью и высокой строительной прочностью при температурах службы.

В течение длительного времени для изготовления насадки керамических

рекуператоров применяли исключительно шамотные огнеупорные материалы.

Однако высокая газопроницаемость и низкая их теплопроводность обуславли-

вает малую тепловую эффективность и большую громоздкость рекуператоров.