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

Подождите немного. Документ загружается.

риалов пористость зависит от структуры, размера пор и влажности.

Огнеупоры, содержащие большое количество пор, имеют малое значение

коэффициента теплопроводности , следовательно обладают высокими теплозащит-

ными свойствами. При температуре 500 °С его определяют, используя зависимость

=λ

(1-аП),

где λ

– коэффициент теплопроводности пористого материала, Вт/(м К);

λо – коэффициент теплопроводности материала с нулевой пористостью;

а – коэффициент , значение которого зависит от пористости (при П=0,1 а=1,5;

при П=0,2..0,25 а=2,6);

П- общая пористость в долях единицы.

Для учета воздушных пустот значение λ плотного материала уменьшают на

величину (1-П)

2/3

, где П- объемное содержание пустот (в долях единицы). Тепло-

проводность такого пористого материала вычисляют с использованием уравнения:

λп=λ(1-П)

2/3

где λ. - теплопроводность плотного вещества.

Теплопроводность композиционных материалов зависит от многих факторов

• теплопроводности заполнителей (компонентов);

• размера и формы их частиц; соотношения фракций;

• конечной плотности;

• размера и формы пор, их распределения по объему.

Теплопроводность большинства твердых оксидных материалов увеличива-

ется с повышением температуры, а у пористых материалов она резко увеличивает-

ся с температурой.

Теплопроводность ОМ определяют по ГОСТ 12170-85 при стационарном те-

пловом потоке и температурах нагрева на горячей поверхности испытуемого плос-

кого образца от 400 до 1350 °С, с теплопроводностью огнеупоров от 0,13 до 15

Вт/мК.

Теплопроводность материалов колеблется в очень широких пределах, Вт/(м К):

• воздух – 0,024 при 0 °С и 0,078 при 1000 °С;

• железо (Fe) – 74,4 при 0°С;

• сталь углеродистая (1%С) – 45,4 при 18 °С;

• чугун (3,2 %С) – 53,2 при 0 °С;

• шамот, динас, периклазовые материалы при 1000 °С соответст-

венно составляют 1,51; 1,63; 3,5;

• коалиновая вата – 0,116 – 0,200 в интервале 100 – 600 °С при объ-

емной плотности соответственно 200 и 400 кг/м

Теплопроводность насыпных зернистых материалов до 1000°С практически

не зависит от материала частиц и определяется их размером, а при температуре до

100-200 °С не зависит и от размера частиц и составляет ~0,23 Вт/(м К).

Электрофизические свойства огнеупоров оценивают по нескольким пара-

метрам: электросопротивлением (величина обратная электропроводности), диэлек-

трической проницаемостью, магнитными свойствами и т.п. Наибольшее значение

для массовых промышленных огнеупоров имеет электропроводность.

В зависимости от электропроводности все вещества подразделяют на: ди-

электрики, полупроводники и металлы (проводники).

У металлов всегда находятся свободные электроны у полупроводников ко-

личество электронов зависит от температуры и состава, а у диэлектриков в зоне

проводимости электронов нет и электричество могут проводить только ионы.

Кристаллы имеют ионно-анионную или ионно-катионную проводимость

при высоких температурах, величина которой зависит от дефектной структуры

кристаллов и от парциального давления кислорода.

Электропроводность стекол носит ионный характер и в общем она выше,

чем у кристаллов.

Электропроводность полупроводников увеличивается с повышением тем-

пературы, а у металлов уменьшается. Температурная зависимость электропровод-

ности полупроводников в широком интервале температур имеет излом, объясняе-

мый наличием примесей.

Электросопротивление чистых оксидов магния, кальция, бериллия, алю-

миния и кремния при температурах до 1000°С составляет 10

- 10

Ом см, а при

2000 С не более 10

-10

Ом см.

Электропроводность огнеупоров, как гетерогенных тел, слагается из элек-

тропроводности их фаз: стекловидной, кристаллических и пор. Поры могут как

повышать, так и снижать проводимость тока. Влияние пористости на электропро-

водность подобно ее влиянию на теплопроводность огнеупорных материалов.

При небольшом количестве изолированных и равномерно распределенных пор

электропроводность уменьшается почти пропорционально увеличению пористо-

сти. При высокой пористости ее влияние выражено более сильно. В керамике с

высокой электропроводимостью поры уменьшают электропроводность. В кера-

мике с низкой электропроводимостью поры ее увеличивают. Это связано с тем,

что перенос зарядов происходит по поверхности пор. Увеличение электропровод-

ности поверхности пор - поверхностная электропроводность - связана с адсорбци-

ей на поверхности пор оксидов и паров воды. Поверхностная электропроводность

заметно повышает общую электропроводность только при низкой объемной элек-

тропроводности.

Существенное влияние на электропроводность оказывают примеси. При-

меси образуют на границах зерен и вокруг них стекловидные силикатные пленки.

Несмотря на небольшой их объем, они становятся непрерывной фазой. В этом

случае общая электропроводность будет зависеть от относительной электропро-

водности каждой фазы. При повышении температуры электропроводность стек-

ловидной фазы возрастет быстрее, чем кристаллической диэлектриков и в резуль-

тате общая электропроводность увеличивается. Если силикатная пленка будет по-

крывать полупроводниковые кристаллы, то общая электропроводность будет ни-

же, так как при высоких температурах электропроводность полупроводников вы-

ше, чем стекловидной силикатной фазы.

Теплоемкость системы — это отношение количества сообщенной теплоты

к вызываемому этим повышению температуры. Различают истинную теплоем-

кость, соответствующую бесконечно малому изменению температуры, и сред-

нюю, относящуюся к конечному изменению температуры, равную С=q/∆T. Теп-

лоемкость, отнесенная к 1 кг вещества, называется удельной: С

уд

- Дж/(кг ),

связанная с 1 м

- объемной: С

об

= С

уд

ρ Дж/(м

К).

Теплоемкость многих твердых и жидких веществ - величина аддитивная и

равна сумме теплоемкостей:

=Σс

где n

- количество компонента данного вида (доли единицы).

Как правило, теплоемкость соединений в жидком состоянии выше, чем в

твердом, а в точке плавления они почти равны.

ГЛАВА 2. ВИДЫ ОГНЕУПОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧАХ

2.1. Кислые огнеупорные материалы

Динас является представителем группы кремнеземистых огнеупоров. Его из-

готавливают из кремнеземсодержащего порошка, имеющего не менее 93% SiO

, на

известковожелезистой связке. Добавка в кварцевую шихту играет важную роль, об-

разуя при обжиге жидкую фазу, которая способствует перекристаллизации кварца в

тредимит и кристобалит. Кроме того, при изготовлении динаса известковая добавка

служит связующим веществом при формовании изделий.

Особо чистый кравцит – кварцевое стекло используют для изготовления

штучных и ответственных элементов керамики табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Огнеупорные изделия из кварцевого стекла

Наименование показателей ОКСБ СКСБ ТКСБ КСБМ

Массовая доля, %

SiO

, не менее

, не более

0,2

Пористость открытая, %, не более 19 18 20 20

Назначение изделий, приведенных в табл.2.1.

СКСБ – для непрерывной разливки стали (погружные стаканы);

ТКСБ – для защиты струи металла от окисления при непрерывной разливки стали

(защитные трубы);

ТКСБ, СКСБ – огнеупорные материалы из кварцевого стекла (трубы, стаканы);

ОКСБ – в печах обжига электротехнической стали (оболочки печных роликов);

КСБМ – мелкоштучная кварцевая керамика (стопоры-втулки и стаканы для полу-

непрерывной разливки медных сплавов, крышки газоанализаторов, тиг-

ли, лодочки, кольца и т.д. различного назначения).

Огнеупорность динаса достигает 1690-1720°С при высокой температуре на-

чала деформации под нагрузкой (1610-1660 °С), что позволяет успешно применять

его в высокотемпературных печах при изготовлении нагруженных частей футеров-

ки.

В то же время динас обладает низкой термостойкостью, выдерживая всего

одну-две теплосмены. Поэтому элементы футеровки, выполненные из динаса, не

должны подвергаться резкому охлаждению ниже температуры 700°С.

Динасовые изделия сохраняют строительную прочность (особенно в сводах)

почти до температуры плавления, что является весьма ценным его свойством. При

температуре выше 600 °С он является наиболее термостойким огнеупором, позво-

ляющим понижение температуры элемента печей до 1000-1200°С.

Динасовые изделия производят нескольких видов, свойства некоторых из

них приведены в табл. 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2

Физико-химические свойства динасовых изделий

Показатели Динас особого Класс I Класс II

Химический состав, %:

SiO

,не менее:

94,5

Огнеупорность.,

С 1710 1710 1690

Температура начала деформации под

нагрузкой 0,2 МПа, °С

1660

1650

1620

Плотность, г/см

2,36 2,38 2,40

По

истость каж

щаяся, % 23 23 25

Предел прочности при сжатии (времен-

ное сопротивление) , МПа

22,5

20,0

17,5

Разрушение динаса может происходить по различным причинам как при

низких, так и при высоких температурах.

В зоне сравнительно низких температур (450 °С) динас может разрушаться

вследствие возникновения реакции

2СО → СО

+ С,

В результате которой отношение сажистого углерода приводит к механиче-

скому разрушению изделия в кладке. Образование углерода происходит с большей

интенсивностью при наличии в динасе оксидом железа. Присутствие кобальта, на-

келя и в значительно меньшей степени хрома оказывает каталитическое воздействие

на ход этого процесса.

Известны случаи интенсивного взаимодействия динаса в восстановительной

среде, содержащей С, Н

, СО, с образованием SiO. Например, в генераторах пироли-

за природного газа с целью получения водорода и в реформаторах, предназначен-

ных для выделения сажистого углерода при термоокислительном пиролизе и темпе-

ратурах выше 1370 °С по реакции:

SiO

+ C → SiO + CO.

Газообразный оксид кремния (SiO) уносится дымовыми газами и затем час-

тично отлагается, в виде белого налета SiO

, на холодных поверхностях.

В условиях более высоких температур (1500-1600 °С) обнаруживается реак-

ция:

SiO

2т

+ 2C

→ Si

+ 2CO

Диоксид кремния восстанавливается углеродом ступенчато с промежуточ-

ным образованием газообразного оксида SiO. Это является причиной значительного

переноса соединений кремния в восстановительной среде при высоких температу-

рах.

Разрушение динасовых огнеупоров на действующих объектах отмечалось

при воздействии водяных паров в зоне температур выше 1500 °С.

Таблица 2.3

Динас обожженный

Наименование пока-

зателей

Марка изделия

ДПК ДПК-

ДСК ДСК-

ДРК ДРК-

ДМ ДН ДВ ДВН ДЛ-

1,2

ДЭ ДЭ-

ДСВ-

ДСО ДС

Массовая доля, %:

SiO

, не менее

, не более

O+K

O, не более

CaO, не более

1,7

1,5

0,37

1,7

1,5

0,37

2,0

1,5

2,0

1,5

2,0

1,2

2,0

1,7

2,6

0,6

2,5

1,7

3,0

Температура начала

размягчения, °С,

не ниже:

1640 1640 1640 1640 1640 1640 1650 1610 1620 1620 - 1660 1650 1650 1640 1650 1640

Пористость откры-

тая, %,

не более:

16 16 23 18 –

- 23 23 25 22 22 - 22 22 22 22 22 22

Плотность кажущая-

ся, г/см

, не более:

2,37 2,35 2,37 2,36 2,37 2,35 - - 2,37 2,37 1,2 2,34 2,36 2,36 2,37 2,36 2,38

Предел прочности

при сжатии, Н/мм

не менее:

50 50 30 30 20 25 22,5 17,5 30 30 4,5 25 25 25 23 25 20

Дополнительный

линейный рост при

t=1450°С, %,

не более:

0,4 0,2 0,4 0,2 0,4 0,4 - - 0,4 0,4 1,0 0,4 0,5 - - - -

Огнеупорность, °С,

не ниже:

- - - - - - 1710 1690 1690 1690 - 1720 1710 1710 1710 1710 1710

Указанные в табл.2.3 марки динасовых изделий применяются для:

ДПК, ДПК1 – кладка пода коксовых печей;

ДСК, ДСК-1 – кладка стен, вертикалов и перекрытия вертикалов, истираемых

коксом;

ДРК, ДРК-1 – кладка зон регенераторов, косых ходов, перекрытие вертикалов,

неистираемых коксом;

ДРК-1 – ремонта пода, стен, головочные изделия зон вертикалов и перекрытия

вертикалов, истираемых коксом;

ДРК-2 – ремонт зон

регенераторов, косых ходов, перекрытия вертикалов, не ис-

тираемых коксом, остальные изделия;

ДМ – кладка мартеновских печей;

ДН – кладка нагревательных печей;

ДВ – кладка насадок стен, куполов, верха камеры горения штуперов и воздухо-

проводов горячего дутья;

ДВН – воздухонагревателей доменных печей;

ДЛ-12 – теплоизоляции тепловых агрегатов при температуре применения до

1550°;

ДЭ – кладка сводов и арок

электросталеплавильных печей емкостью не более

50т.;

ДЭ-1 – кладка сводов и арок электросталеплавильных печей емкостью до 50т.;

ДСО, ДС, ДСВ-1,2 – кладка верхнего строения и регенераторов стекловаренных

печей.

2.2. АЛЮМОСИЛИКАТНЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Шамотные изделия относятся к группе алюмосиликатных огнеупоров. Изго-

товить шамотные огнеупорные изделия только из одних огнеупорных глин нельзя,

так как при сушке, и обжиге они дают значительную усадку. Чтобы избежать этого,

часть огнеупорной глины предварительно обжигают при температуре 1200-1400°С.

Обожженную до постоянной массы глину называют шамотом. Для изготовления

обычных шамотных изделий берут 50-60 % шамотного порошка и 40-50% порошка

пластичной глины. Содержание Аl

Оз + ТiO

в такой смеси не менее 30 % и 50-65 %

SiO

Основной способ изготовления шамотных изделий – полусухое прессование,

пластический способ сохранился в основном для изготовления сложного фасона и

для производства пластических набивных масс. В производстве огнеупоров на ша-

мотные изделия приходится 70-75 %. Это объясняется их хорошей термической ус-

тойчивостью (до 50 теплосмен) и небольшой усадкой при повторном обжиге.

Шамотные изделия используют для футеровки шахты доменной печи, воз-

духонагревателей, элементов низа мартеновской печи, сталеразливочных ковшей,

дымовых боровов, труб, сифонного припаса, нагревательных и термических печей.

Некоторые марки шамотных огнеупоров Богдановичского «АО огнеупоры»

(Б«АОО») и ОАО «Сухоложский огнеупорный завод» (ОАО «СОЗ») приведены в

табл. 2.4, 2.5, 2.6, 2.7.

Таблица 2.4.

Изделия огнеупорные шамотные для кладки доменных печей

Наименование показателей ШПД – 39

Массовая доля, %

,не менее

, не более

1,5

Огнеупорность, °С, не ниже 1750

Температура начала размягчения, °С, не ниже 1440

Усадка дополнительная линейная при t 1450°С, %, не более 0,3

Пористость открытая, %, не более 16

Предел прочности при сжатии, Н/мм

, не менее 50

Применяют для кладки горна, заплечиков, распара шахты и колошника до-

менных печей.

Таблица 2.5

Изделия огнеупорные шамотные: общего назначения – ШБ, ША;

Изделия для футеровки вагранок – ШБВ – 30;

Изделия для футеровки чугуновозных ковшей – ШЧУ – 30

Наименование показателей Марка изделий

ША ШБ ШБВ – 30 ШЧУ – 30

Массовая доля, %, Al

,не менее 30 28 30 30

Огнеупорность, °С, не ниже 1690 1650 1690 1670

Пористость открытая, %, не более 24 24 22 20

Предел прочности при сжатии, Н/мм

, не

менее

20 - 17,5 25

Температура начала размягчения, °С, не

ниже

1300 - - -

Усадка дополнительная линейная при t

1450°С, %, не более

- - 0,4 0,4

Таблица 2.6

Изделия огнеупорные шамотные и муллитокремнеземистые

для футеровки сталеразливочных ковшей

Наименование показателей Марка изделия

ШКУ-

МКРАКП

-45

МКРАКУ-

Массовая доля, %,

,не менее

,не более

2,8

свыше

3,5

свыше

3,5

Огнеупорность, °С, не ниже 1690 1730 1730 - -

Пористость открытая, %, не

более

19 18 18 16 18

Предел прочности при сжа-

тии, Н/мм

, не менее

30 30 40 40 35

Температура начала размяг-

чения, °С, не ниже

1370 1400 1400 1400 1400

Усадка дополнительная ли-

нейная при t 1400°С, %, не

более

0,3 0,3 0,3 0,2 0,4

Термическая стойкость теп-

лосмен, не менее

4 4 4 4 3