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

Подождите немного. Документ загружается.

Эффективность работы керамических рекуператоров зависит от коэф-

фициента теплопроводности, герметичности и удельной поверхности нагрева.

Конструктивное оформление рекуператора существенно влияет не толь-

ко на эти основные характеристики, но и на работу рекуператора в целом.

6.3.3. Огнеупоры в электрической низкотемпературной печи

Электрические печи используют для нагрева изделий из металла раз-

личных размеров и форм перед термической обработкой или обработкой дав-

лением Футеровка любой печи состоит из стен, свода и пода и является наибо-

лее ответственной частью печей, от качества и стойкости которой зависят

продолжительность кампании и основные технико-экономические показатели.

В низкотемпературных печах стены и свод состоят из слоя огнеупорного

кирпича и слоя теплоизоляции. В качестве огнеупорного кирпича используют

плотный шамотный кирпич и легковесный. Шамот имеет низкую электро-

проводность. Это позволяет использовать шамот в печах для крепления на-

гревательных элементов. Для кладки сводов печей применяется клиновой ша-

мотный кирпич. Легковесный шамот характеризуется меньшей прочностью,

малой термической стойкостью, высокой газопроницаемостью и значительной

истираемостью при механических воздействиях. Повышение стойкости

легковесов можно достичь применением защитных обмазок. Простейшей

обмазкой является размолотый шамот, смешанный с глиной и жидким стек-

лом.

В качестве огнеупорной футеровки для пода и стен применяют огне-

упорные бетоны. Огнеупорный бетон состоит из заполнителя: порошок и

щебень из боя шамота и вяжущего вещества - глиноземистый цемент. При-

менение огнеупорных бетонов дает резкое уменьшение количества швов и

значительно удешевляет изготовление фасонных футеровок.

В качестве теплоизоляционных материалов в низкотемпературных печах

следует применять доломитовый, пеношамотный, пенодиатомитовый кирпич,

вермикулитовые, совелитовые, асбоцементные и минераловатные плиты. Диа-

томитовый кирпич состоит преимущественно из аморфного кремнезема –

SiО2 (89-95%) и обладает высокой пористостью, имеет пониженную огне-

упорность и прочность. Уральский диатомитовый кирпич: ирбитский, камыш-

ловский имеет пористость 60%, объемный вес 900 кг/м

, допустимую рабочую

температуру до 850-900°С.

Совелитовые изоляционные материалы готовят из асбеста и белой маг-

незии, полученной переработкой доломита и мела.

В качестве облицовочного материала для наружной кладки дымохо-

дов, подов печей, заполнения фундаментов применяется красный строитель-

ный кирпич.

Для печей с температурой ниже 700°С стены рекомендуют выкладывать

из одного диатомитового кирпича с теплоизоляцией вермикулитом, минераль-

ной ватой и другими материалами. Материалы, состоящие из волокон или со-

держащие волокна, могут иметь объемную плотность значительно более низ-

кую, чем плотность массивного материала. Применение таких материалов не

только способствует уменьшению потерь тепла, но и эффективно решает зада-

чу снижения материалоемкости.

Стены с температурой печей 600°С и ниже часто делают из двух метал-

лических листов с засыпкой между ними изоляционного порошка или шлаковой

ваты. Целесообразно для снижения потерь тепла производить обмазку по ме-

таллической сетке наружных поверхностей стен молотым шамотом с асбе-

стом слоем толщиной 15-20 мм. При применении легковесов и изоляцион-

ной засыпки рекомендуется выкладывать стены термических печей в металли-

ческом кожухе из листового железа толщиной 3-4 мм.

Пяты сводов целиком должны быть выполнены из огнеупорного

кирпича и разгружены на арматуру печи через поперечный уголок, швеллер

или литую балку. Подины выкладывают из шамотного кирпича, а наруж-

ный слой делают из трепельного или красного кирпича. Заслонки рабочих

окон выполняют набивными из диатомового боя с огнеупорной глиной. Отво-

дящие дымовые каналы следует футеровать на 0,5 кирпича шамотом. Дымо-

вые борова и каналы, расположенные под печью, футеруют шамотом тол-

щиной в 0,5 кирпича, красным кирпичом в 1 кирпич с заполнением проме-

жутков боем красного кирпича. Своды боровов вне пределов печи футеруют в

0,5 кирпича шамота, стенки боровов в 0,5 трепельного кирпича. В местах,

подверженных действию грунтовых вод, борова должны быть защи-

щены гидроизоляцией. При соприкосновении боровов с фундаментами ко-

лонн, фундаменты изолируют диатомитовым кирпичом.

Нагреватели электрических печей, работающие в вакууме или в ат-

мосфере водорода и аргона, изготовляют из молибдена и вольфрама. С целью

уменьшения взаимодействия паров молибдена с огнеупорной футеровкой ее

выполняют из высокоглиноземистых или корундовых изделий.

Применение и служба огнеупоров во вращающейся печи. Вра-

щающиеся печи широко применяют в различных отраслях промышленно-

сти. Они являются печами непрерывного действия и по назначению весьма

разнообразны: плавильные, термические и обжиговые.

Рассмотрим для примера вращающиеся печи для получения цемента.

Профиль печи может быть цилиндрический с расширенной зоной спека-

ния, расширенной зоной декарбонизации или с пережимом.

В соответствии с последовательностью процессов, протекающих при

обжиге клинкера, вращающаяся печь по длине может быть условно разбита

на 6 технологических зон. Примерные температурные границы газового пото-

ка, материала, рабочей поверхности футеровки и корпуса печи для этих зон, а

также условия службы огнеупоров в каждой зоне приведены в табл. 6.17.

При мокром способе производства протяженность зоны испарения

и сушки достигает 50-60% всей длины печи, зоны декарбонизации - 20-

23%; экзотермических реакций ~7%, зоны спекания - 10-15% и зоны охлаж-

дения - 2-4%.

Таблица 6.17

Технологические зоны вращающейся печи и условия службы

огнеупорной футеровки в различных зонах

Зона Темпе

ат

ур

а в начале и в конце зон

°С Условия

газа обжигае-

мого мате-

иала

рабочей поверх-

ности футеровки

кожуха службы футеровки

Сушки 200-1100 25-250 70-800 ~100 Футеровка покры-

та слоем шлама, в

зоне цепной заве-

сы подвергается

истирающему

действию цепей

Подогрева и

дегидратации

1100-

1250

250-500 800-920 ~160 Футеровка под-

вергается исти-

рающему дейст-

вию гранулиро-

ванного порошко-

Декарбониза-

ции

1250-

1600

500-900 920-1320 ~255 Тоже

Экзотермиче-

ских реакций

1600 900-1400 1320 – 1400 ~300 На огнеупор воз-

действует жидкая

фаза клинкера, на

поверхности фу-

теровки образует-

ся защитный слой

Спекания 1600 1400 1400-1450 ~290 Тоже

Охлаждения - 1400-1000 - ~224 Истирающее дей-

ствие раскаленно-

го клинкера; рез-

кое охлаждение

Длина участков, футеруемых соответствующими видами огнеупоров,

не совпадает с длиной технологических зон печи. Определять границы этих

участков в каждом отдельном случае следует с учетом конкретных особен-

ностей печного агрегата и технологии производства, принятой на данном за-

воде.

Специфика службы огнеупоров во вращающихся печах цементной

промышленности характеризуется в основном тремя общими условиями:

• во-первых, высоким температурным градиентом, обусловленным

односторонним нагревом сравнительно тонкой (160-230мм) огнеупорной

кольцевой кладки, заключенной в защитной металлический кожух. Самый

высокий температурный градиент по сечению футеровки находится в зоне

спекания. Здесь температура рабочей поверхности огнеупорной кладки

достигает 1450-155О°С, а температура наружной поверхности кладки 250-

350°С;

• во-вторых, периодическими колебаниями температуры поверх-

ности футеровки, которая за каждый оборот печи - примерно в течение

одной минуты – подвергается последовательному воздействию горячих га-

зов и более холодного обжигаемого материала Разница между температура-

ми поверхности футеровки при выходе из-под слоя материала и при входе

под него составляет примерно 150-200 °С, причем в силу тепловой инерции

огнеупора эти температурные колебания распространяются на

глубину примерно 20-30 мм от рабочей поверхности футеровки;

• третьим общим условием службы огнеупоров во вращающихся пе-

чах является химическое и истирающее воздействие непрерывно движуще-

гося слоя обжигаемого материала. Это воздействие на различных участках

длины печи сказывается неодинаково. Так, химическое взаимодействие об-

жигаемого материала с огнеупором активно протекает лишь в зоне наивыс-

ших температур- зоне спекания Истирающее воздействие в разной степе-

ни имеет место во всех зонах, но больше всего - в зоне охлаждения, где

спекшийся материал обладает наибольшими абразивными свойствами В пе-

чах, работающих по мокрому способу, оснащенных цепной завесой, футеровка

в зоне испарения подвергается интенсивному истиранию цепями.

Входную часть печи (холодную) обычно футеруют шамотным кирпи-

чом или клинкероцементным бетоном. Часто ее вообще не футеруют. В пе-

чах, работающих с кальцинаторами или циклонными теплообменниками,

входная часть фактически расположена в зоне декарбонизации, поэтому ее

футеруют многошамотным огнеупором. С конструктивной точки зрения фу-

теровка входной части не представляет затруднений. Единственная ее особен-

ность - наличие кольца из огнеупорного кирпича марок Ц-1 и Ц-2 высотой

200 мм или марок ЦМ-1 и ЦМ-2 высотой 300 мм.

Цепная зона - наиболее трудоемкий участок футеровки. До последнего

времени для футеровки этой части необходимо было стесывать огнеупоры.

Объяснялось это тем, что при конструировании узлов крепления цепей к

корпусу совершенно не учитывались стандартные размеры и форма огнеупор-

ных кирпичей. В конструкциях крепления цепей в новых печах (4x150;

4,5x170 и 5х185м) этот недостаток частично устранен за счет изменения

расстояния между отдельными швеллерами кратного длине кирпича.

Так как на футеровку цепной зоны оказывают ударное и истирающее

действие металлические цепи, то материал футеровки должен обладать зна-

чительной механической прочностью. Таким условиям удовлетворяет мно-

гошамотный огнеупор. Его и применяют для футеровки цепной зоны. Тол-

щина цепной зоны в печах диаметром до 4,5 м включительно – 120 мм, в

печах диаметром до 5 м – 160 или 200 мм.

Первоначально участок навески цепей футеровали клинкерно - це-

ментным бетоном. Однако из-за низкой стойкости такого бетона, особенно в

горячей части цепной завесы, пришлось заменить его штучным огнеупо-

ром, сначала шамотным, а в последние годы многошамотным. Клинкеро-

цементный бетон можно применять сейчас только в холодной части зоны на-

вески цепей и притом в печах небольшого диаметра, а также для особо

сложных участков футеровки в печах больших диаметров. Например, в пе-

чах 4,5x170 м таким бетоном можно футеровать участки, где расположены

крепления цепей в холодной половине цепной завесы, в горячей же части

лучше для тех же целей использовать шамотный бетон на жидком стекле.

Подготовительные зоны - подогрева, дегидратации и декарбонизации

(холодную ее часть) - футеруют шамотным кирпичом: толщина футеровки в

зависимости от диаметра колеблется от 160 до 200 мм.

Сложнее всего футеровать металлические теплообменники. Несо-

вершенство конструкции крепления таких теплообменников к корпусу печи

приводит к постоянному расшатыванию примыкающей футеровки. В резуль-

тате этого кирпич часто выпадает и футеровку приходится ремонтировать. На

некоторых заводах делались попытки насаживать кирпич на металлические

штыри, приваренные к основанию теплообменника, но такие опыты большей

частью не приносили желаемого результата.

Подготовительные зоны вращающейся печи на участке от цепной заве-

сы до горячей части зоны кальцинирования, занимающую 30-40% части печи,

наиболее перспективным, с точки зрения экономии-тепла можно получить,

если футеровать весь этот участок легковесным шамотным кирпичом. От-

сутствие абразивного действия обжигаемого материала позволяет осущест-

вить такую теплоизоляцию.

Для улучшения теплообмена футеровку рассматриваемого участка печи

предложено делать рифленой или же устанавливать здесь дополнительные те-

плообменные устройства.

Горячую часть зоны декарбонизации футеруют многошамотным ог-

неупором, толщина футеровки 200 мм.

Для дальнейшего повышения стойкости футеровки в горячей половине

зоны декарбонизации целесообразно перейти от многошамотных на примене-

ние более высококачественных огнеупоров – высокоглиноземистых, содер-

жащих до 55% оксида алюминия.

Переходные конусы на многих печах находятся в зонах дегидрата-

ции и декарбонизации. Футеруют такие конусы, как уже упоминалось ранее,

вперевязку или кольцами. Если же переходный конус попадает в более высо-

котемпературную зону, то его футеруют только кольцами.

На всех рассматриваемых участках вращающейся печи футеровка

представляет собой отдельную панель, примыкающую к соседней по прямому

обрезу. Кладку ведут главным образом продольными рядами с перевязкой по-

перечных швов.

Следующей частью футеровки, от которой по существу зависит работа

всей печи, является высокотемпературный участок, включающий зону спека-

ния.

Конструкционные особенности футеровки этого участка, как уже от-

мечалось, заключаются в следующем:

• футеровка состоит из отдельных панелей;

• между панелями оставляются температурные швы;

• перевязка продольных рядов кладки осуществляется только стан-

дартными перевязочными кирпичами.

Сложным является определение общей длины высокотемпературного

участка, а также границ переходных участков. Это связано, вероятно, с

тем, что их длина и расположение зависят от многих факторов - свойств об-

жигового сырья, размеров печи, теплотехнического и технологического режи-

мов работы печи, вида топлива и др.

Назначение переходного участка - предотвратить химическое взаимо-

действие при высоких температурах 1250-1350°С между магнезиальными и

шамотными огнеупорами. Первые являются основными по своему составу,

вторые, хотя их и относят к группе нейтральных огнеупоров, содержат все

же значительное количество кремнезема. Поэтому на практике часто наблю-

дают взаимодействие между шамотным и хромомагнезитовым огнеупором

при условии, что температура достаточно высока. Это взаимодействие прояв-

ляется в образовании на стыке таких огнеупоров углублений или в резком

снижении толщины футеровки.

В этом случае приходится границы участка, футеруемого высокока-

чественными магнезиальными огнеупорами, выносить за пределы зоны

высоких температур и уже только там стыковать основные огнеупоры с ша-

мотным или магнезиальным кирпичом. Это связано со значительным пере-

расходом дефицитных основных огнеупоров. Кроме того, хромомагнезито-

вый огнеупор по краям или почти вне зоны спекания часто работает без

обмазки, что значительно снижает его стойкость.

При выборе огнеупора для наиболее высокотемпературной зоны следу-

ет учитывать как свойства обжигаемого сырья, так и размеры печи.

Высококачественные огнеупоры - периклазошпинелидные и магне-

зитохромитовые обожженные целесообразно использовать в первую очередь

для футеровки центральной части зоны спекания печей с высокотемператур-

ным обжигом и в печах большого диаметра. Края зоны спекания нужно футе-

ровать менее качественными огнеупорами, например, хромомагнезитовыми.

В футеровке из безобжигового магнезитохромитового огнеупора в

железных кассетах БМХЦ запрещается оставлять какие-либо температурные

швы, тек как этот огнеупор при высоких температурах дает усадку. Наличие

выгорающих прокладок неизбежно приведет к разрушению футеровки. Ог-

неупор БМХЦ следует использовать только в центральной части зоны спека-

ния и притом лучше в печах с трудным режимом обжига.

Зона охлаждения вращающихся печей состоит из прямого участка и

порога печи. Назначение порога, как известно, задерживать материал в печи.

Высоту его устанавливают опытным путем. Для облегчения порога на

многих печах горячий конец корпуса печи — делают обычно в виде обрат-

ного конуса.

При конструировании порогов необходимо учитывать следующее:

1) кирпич каждого кольца не должен выступать из кладки более чем на 1/3-1/2 своей

высоты;

2) соседние по оси печи кольца должны иметь различный диаметр в свету;

3) порог должен иметь плавный скат в сторону зоны наивысших температур;

4) каждая ступень порога должна иметь длину не менее, чем в три кольца.

Огнеупоры в зоне охлаждения должны противостоять ряду термоме-

ханических воздействий:

1) ударному и истирающему действию гранул обожженного клинкера;

2) значительным термическим ударам, которые обусловлены одновремен-

ным действием «холодного» (600-900°С) воздуха, поступающего в печь

через холодильник, и горячего клинкера с температурой 1000-1250°С;

3) давлению футеровки, направленному вдоль оси печи и вызванному ее на-

клоном.

Для футеровки зоны охлаждения чаще всего используют шамотный,

многошамотный или тальковый огнеупор. Лучше стоит многошамотный огне-

упор.

Хорошие результаты получены при применении для тех же целей высо-

коглиноземистых огнеупоров. Однако значительная стоимость задерживает по-

ка их дальнейшее применение.

Конструкция футеровки печей, работающих с конвейерным кальцинато-

ром или с циклонными теплообменниками, в принципе не отличается от футе-

ровки обычных вращающихся печей. В этих печах отсутствуют участки фу-

теровки зон подготовки материала. Футеровка состоит из участков, располо-

женных в :

• зоне охлаждения;

• передней переходной части;

• зоне наивысших температур (спекания);

• задней переходной части;

• зоне декарбонизации.

Толщина футеровки, виды применяемых огнеупоров, а также способы

ее создания такие же, как и в печах, где проходит весь цикл термической обра-

ботки материала.

Отметим только необходимость применения для футеровки зон спе-

кания печей, работающих с конвейерными кальцинаторами, наиболее высоко-

качественных магнезиально-хромистых огнеупоров, так как условия службы

футеровок в таких печах более тяжелые.

Механизм и причины разрушения огнеупоров. Во вращающихся пе-

чах цементной промышленности футеровка подвергается сильному односто-

роннему нагреву со стороны рабочей поверхности, обращенной внутрь печи.

Вследствие неравномерного прогрева футеровки в ней возникают температур-

ные напряжения, обусловленные различным тепловым расширением отдельных