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

Подождите немного. Документ загружается.

задач этой технологии.

На ОАО «Сухоложский огнеупорный завод» производят шамотные лег-

ковесные изделия, представленные в табл. 3.3

Таблица 3.3

Шамотные огнеупорные легковесные изделия

ШЛ-0,4 ГОСТ 5040 – 96

ШЛ – 1,1 ТС (по техническому соглашению)

ШЛ – 1,3 ГОСТ 5040 – 96

МКРЛ – 0,8 ТС (по техническому соглашению)

Изделие ШЛ –

0,4

ШЛ –

1,1

ШЛ –

1,3

МКРЛ –

0,8

Кажущаяся плотность, г/см

, не

более

0,4 1,1 1,3 0,8

Температура службы, °С, макс 1150 1300 1300 1250

Предел прочности при сжатии,

Н/мм

, не менее

1,0 2,0 3,5 2,0

Теплопроводность, Вт/мК отне-

сенная к средней температуре

образца, не более:

(350 ± 25) °С

(650 ± 25) °С*

0,20

0,25

0,50

0,60

0,70

0,35

0,40

Дополнительная линейная усад-

ка при выдержки 2 часа, %, не

более:

при t 1150 °С

при t 1250 °С

при t 1300 °С

1,0

* Определяется по требованию потребителя

Низкий коэффициент теплопроводности АСЛО позволяет уменьшить

толщину футеровки стен, а при низкой плотности, снизить общую массу огне-

упоров, участвующих в теплообмене на печах периодического действия. Это, в

свою очередь, позволяет сократить расход топлива за счет снижения потерь те-

плоты теплопроводностью через стенку и аккумуляцию теплоты кладкой.

В качестве "выгорающих добавок" применяют опилки в количестве 25-

30 % (сверх 100 %), измельченные до размера не крупнее 3 мм, которые увлаж-

няют "меловым молоком".

Формуют изделия литьем в металлические формы и сушат до остаточ-

ной влажности 15 % в туннельных сушилах при температуре 110-130°С. Об-

жигают изделия в туннельной печи при 1480-1550 °С. Такая технология позво-

ляет получить корундовые легковесы пористостью не более 60-66 %.

Замена способа "выгорающих добавок" на полистирол позволяет полу-

чить большую пористость - 80-85 %. Шаровидная форма пор, образующихся

после выгорания полистирола, способствует уменьшению концентрации на-

пряжений в межпоровых перегородках при нагружении материала, а следова-

тельно, повышению прочности изделий с плотностью < 1 г/см

. Недостатком

данного способа являются сложная технология, длительность процесса

изготовления и высокая энергоемкость.

ГЛАВА 4. ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИХ

Производство огнеупорных волокон составляет новую область в созда-

нии огнеупорных материалов с повышенной прочностью, что влечет за собой

снижение материалоемкости.

Материалы и изделия из огнеупорного волокна являются прогрессивными

продуктами не содержащими асбест, обеспечивающими ресурсосбережение.

Применение футеровок из волокнистых материалов позволяет:

o снизить трудовые затраты на монтаже в 2-3 раза.;

o сократить расход огнеупоров в 10-12 раз и массу металлоконструкций

печей и других тепловых агрегатов на 10-15 %;

o сократить расход топлива и электроэнергии в печах периодического

действия на 15-20 %. благодаря более быстрому разогреву и снижения

потерь аккумуляцией кладки.

Футеровки, выполненные из волокнистых материалов, оптимально сочетают

низкую массу, незначительную аккумуляцию тепла и высокие теплоизоляционные

свойства. Кроме того огнеупорные волокна обладают рядом ценных уникальных

свойств:

o не смачиваются жидким алюминием, цинком, магнием и их сплавами;

o имеют хорошие фильтрующие свойства;

o устойчивы к щелочам и кислотам (за исключением сильных щелочей,

плавиковой и фосфорной кислот).

Под термином "прочность" для волокнистых и нитевидных материалов

понимают не «разрывную» прочность, а верхний предел «тёкучести», при кото-

ром возникаю напряжения начала пластической деформации, так как нитевид-

ные кристаллы разрушаются при напряжениях того же порядка, что и обычные

кристаллы.

Волокнистые материалы имеют прочность более высокую, чем массив-

ные (табл.4.1).

Таблица 4.1

Сравнение прочности при растяжении волокнистых и

объемных образцов некоторых веществ

Вещество Предел прочности при разрыве,Н/мм

Диаметр

волокон,

мкм

массивные об-

азц

волокна

Кварцевое стекло 60-80 10000 3-6

Силикатные стекла 40-60 2000-6000 2-6

Плавленый базальт - 1000-2600 8-14

При образовании волокон из расплава прочность их зависит от диа-

метра (d) и чем тоньше волокно, тем выше его прочность σ

~1/ d, где σ

- пре-

дел прочности при разрыве, Н/мм

Поверхностные дефекты (ступени роста, дислокации, микротрещины и

др. ) существенно снижают прочность. Ослабляющее действие трещин прак-

тически не зависит от глубины (мелкая царапина действует подобно глубо-

кой), так как концентрация напряжений К зависит от остроты ее кромки и вы-

ражается формулой:

К ⋅= 2

где l – длина поверхностной трещины;

R- радиус кромки трещины, не зависящей от ее длины.

С ростом температуры прочность нитевидных кристаллов уменьшается. На-

пример, у волокна каолинового состава, начиная с 800°С,резко снижается проч-

ность, и при температуре 1200°С она становится незначительной.

Механизм понижения прочности стекловолокна , связанный с колебанием

температуры заключается в том, что при нагреве после охлаждения наблюдается

поверхностная кристаллизация волокна, которой при более низкой температуре

предшествует предкристаллизационное микрорастрескивание. Вследствие этого на

границе раздела кристаллической и аморфной фаз образуются микротрещины, рез-

ко снижающие прочность волокна.

Высокая прочность волокон связана с:

- уменьшением дефектов строения вещества в образцах малого размера;

- гомогенностью структуры расплавленного вещества в волокнах при

высокой скорости охлаждения, обуславливающей отсутствие допол-

нительных остаточных напряжений;

- ориентацией структуры и микротрещин вдоль оси волокна.

Прочность волокон зависит также от их длины, но в меньшей степени, чем

от диаметра. При уменьшении диаметра стекловолокна от 20 до 2 мкм, то есть в 10

раз, прочность повышается в 5-6 раз, а при уменьшении длины в400 раз (с 1600 до

4 мм) прочность увеличивается только в 2 раза. Зависимость прочности нитей от

длины характеризуется некоторой критической длиной, выше которой прочность

мало зависит от длины волокна.

Модуль упругости (Е) волокнистых материалов не зависит от длины и диа-

метра волокна. При комнатной температуре, обычной влажности и достаточно вы-

сокой скорости нагружения волокнистые материалы ведут себя при растяжении как

хрупкое тело. Разрыв наступает внезапно после того, как упругое удлинение ε дос-

тигает предельного значения. Величина относительного удлинения деформации ε

значительно выше, чем для массивных, и повышается с уменьшением диаметра во-

локна.

Плотность материала волокон практически равна плотности массивных

образцов, но изделия, состоящие из волокон или содержащие волокна, имеют

объемную плотность (кажущуюся) плотность значительно более низкую, чем

плотность массивного материала. Это свойство волокнистых материалов ис-

пользуется для создания сверхтеплоизоляционных огнеупоров. Применение та-

ких материалов в технике не только способствует уменьшению потерь теплоты,

но и решает задачу снижения материалоемкости.

Зависимость теплопроводности от температуры и кажущейся плотности

волокнистых материалов системы Al

▫SiO

представлена в табл.4.2.

Таблица 4.2

Коэффициент теплопроводности системы Al

▫

SiO

в зависимости от темпе-

ратуры и кажущейся плотности (ОАО «Сухоложский огнеупорный завод»)

Температура,

°С

Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)

100 130 150 200 250 288 384

200 0,06 0,06 - - 0,05 0,05 0,05

300 0,08 0,08 - - 0,07 0,07 0,06

400 0,11 0,1 0,09 0,09 0,08 0,08 0,08

500 0,13 0,12 0,11 0,11 0,1 0,1 0,1

600 0,16 0,15 0,13 0,13 0,12 0,12 0,11

700 0,2 0,17 0,15 0,15 0,13 0,13 0,13

800 0,23 0,2 0,18 0,17 0,15 0,15 0,14

900 0,27 0,23 0,21 0,2 0,17 0,17 0,15

1000 0,32 0,27 0,25 0,22 0,19 0,19 0,17

1100 - - - - 0,21 0,21 0,21

В настоящее время достаточное количество соединений получены в форме

кристаллических нитей. Для примера в табл. 4.3, 4.4 и 9.5 приведены свойства неко-

торых волокнистых материалов.

Плотность,

кг/см

Единой классификации волокон нет. Волокнистые материалы подразделяют

по длине волокна на длинноволокнистые с непрерывным волокном (прямонитей-

ние) и штапельные (изогнутые) с коротким волокном.

По агрегатному состоянию волокнистые материалы подразделяют на стек-

ловолокнистые, кристалловолокнистые, называемые «усами» или «вискерсами», и

микростеклокристаллические. Поскольку в кристаллах «усов» практически отсутст-

вуют дефекты кристаллического строения, так называемые

дислокации, то они об-

ладают наибольшей прочностью. Кроме того, «усы» имеют малый диаметр (порядка

микрона), поэтому возможность возникновения скольжения плоскостей атомов от-

носительно друг друга сводится к минимуму: чем тоньше диаметр «уса», тем выше

его прочность.

Таблица 4.3

Характеристика некоторых волокнистых материалов

Материал σ

▫10

-3

Н/мм

Е▫10

-4

Н/мм

ε, % ν Т

пл

°С

Хлопок 0,29 – 0,88 0,43 – 1,14 7 – 9 0,4 150

Волокно из высоко-

углеродистой стали,

d=5 мкм

2,2 – 3,0

2,1

3 – 5

0,3

1400

Стекловолокно:

d=15 мкм

d=50 мкм

1,2

0,8

1,5 – 2

0,8 – 1

0,2

1200

Кристалловолокно

«усы»:

Графит

Оксид алюминия

Железо

100

0,3

3500

2050

1520

Примечание: ν -коэффициент Пуассона – это отношение относительного

сужения волокна к относительному его удлинению

Е – величина упругой деформации;

пл

– температура плавления;

ε -удлинение относительное.

Таблица 4.4.

Плотность, модуль упругости и температура плавления нитевидных кристаллов

Материал ρ, г/см

Е▫10

-3

Н/мм

пл

, °С

Нитрид алюми-

ния

3,3 3,5 2450

Окись алюминия 4,0 3,9 2020

Бор 2,3 4,2 2300

Окись бериллия 3,0 3,5 2530

Углерод 2,3 7,7 3500

Окись магния 3,6 2,9 2800

Кремний 2,4 1,6 1400

Карбид кремния 3,2 5,6 2600

Нитрид кремния 3,2 3,9 1900

Нитрид титана 5,4 3,5 2950

Таблица 4.5.

Свойства неорганических волокон

Характеристи-

ка

Диоксид-

цирко-

ниевое

Корун

довое

Нитрид-

борное

Борное Карбид-

крем-

ниевое

Борокар-

бидное

На вольфрамовой

подложке

Плотность,

г/см

4,84 3,15 1,84 2,6 4,09 2,36

Температура

плавления

(разложения),

°С

2650 2050 2980 2050 2690 2450

Прочность,

Н/мм

2100 2100 350 –

1400

2500 –

3500

550 –

2100

1800 –

2350

Диаметр эле-

ментарной ни-

ти, мкм

2,54 –

7,62

- 5,15 95 – 105 - -

Модуль про-

дольной упру-

гости Е*10

-2

Н/мм

35 – 43 42 –

2,8 – 8,4 39 – 41 85 – 95

42 – 49

80 – 100

42 – 49

Непрерывные волокна, как правило, собирают в пучки до нескольких сотен

волокон, расположенных параллельно и образующих нити. Штапельные короткие

изогнутые волокна образуют рыхлый слой (ковер) заданной толщины.

Большой класс составляют материалы, состоящие из волокон и массивного

вещества (матрицы), называемые композитами.

Волокнистые материалы и композиты применяют в качестве конструкцион-

ных материалов, как высокотемпературные сверхтеплоизоляционные материалы,

полупроводящие волокна, волокна с высокой и низкой диэлектрической проницае-

мостью, волокна с изменен ной геометрической - полой капиллярной структурой,

стеклоборуглепластики, оптические волокна и т.п.

Каолиновая вата – это бинарная система глинозем-кремнезем, длительно ра-

ботающая до температуры 1260 С, а с добавками оксидов хрома до 1400 °С Каоли-

новая вата (KB) производится из природных огнеупорных глин и каолинов. Хими-

ческий состав каолинового волокна находится в следующих пределах, %:

А1

= 43,0-54,0 СаО = 0,1-1,0

SiO

= 43,0- 54,0 В

= 0,08-1,2

=0,6-l,8 К

О= 0,2-2,0

TiO

= 0,1-3,5

Каолиновые волокна относятся к штапельным и представляют собой высо-

котемпературное стекло. Добавка 2-5 % оксидов хрома увеличивает вязкость стекла

и повышает температуру длительного применения KB до 1450 °С. Добавка около 3

% двуокиси циркония способствует получению длинного волокна.

Каолиновое волокно и изделия из него легки по весу, эластичны, упру-

ги, имеют низкую теплопроводность, теплоемкость, термостойки, обладают

хорошими звукоизоляционными свойствами, химической стойкостью (за ис-

ключением плавиковой, фосфорной кислот и сильных щелочей), не подверже-

ны воздействию масел, пара, воды, хорошо выдерживают вибрацию. Когда во-

локна входят составной частью в другие материалы, они придают им высокую

прочность. Физические свойства каолинового волокна:

Диаметр волокна, мкм 2 – 8

Длина, м до 0,25

Плотность, кг/м

256

Содержание вкраплений "корольков", масс. % до 8

Прочность на разрыв, кгс/см2 1,4▫103

Теплоемкость, кДж/(кг К) 1,07

Модуль Юнга (собственно волокна), кгс/см

12,8▫104

Объемная масса, кг/м

48 - 200

Температура длительного применения, °С 1260

Температура плавления, °С 1760

Твердость по Моосу 6

Штапельные алюмосиликатные волокна получают способом расплава пото-

ком энергоносителя.В зависимости от вида энергоносителя различают пародутьевой

и газоструйный способы. Энергоносителем при пародутьевом способе является пар

с давлением 0,6-1,2 МПа. Достоинством дутьевых способов является чистота уста-

новок, высокая производительность и надежность в работе. К недостаткам можно

отнести большой расход энергоносителя.

Каолиновая вата - волокна, полученные непосредственно из расплава путем

раздува характеризуется неупорядоченной и неуплотненной структурой. Каолино-

вую вату классифицируют по сортам в зависимости от длины волокна. Может быть

выделено экстрапуховое волокно с минимальным содержанием вкраплений. Для

получения экстрапухового волокна обычное волокно подвергают специальной об-

работке - гидросмыву от «корольков».

Если необходимо получить длинные волокна с относительно низким содер-

жанием неволокнистых включений, то используют технологию распыления струи

расплава поверхностью быстро вращающегося диска (центробежный) диаметром

300 мм и скоростью вращения 4200 об/мин.

Алюмосиликатные волокна системы Al

– SiO

имеют высокую темпе-

ратуру плавления 1900-1960 °С. В процессе плавки шихты в дуговой электро-

печи вследствие различия температур плавления SiO

(1713°C) и Al

(2050°С)

полной гомогенизации расплава не достигается и часть глинозема в виде ша-

риков с расплавом вытекает из печи Размер шаров (неволокнистых включе-

ний) зависит от дисперсности глинозема, состава шихты, температуры распла-

ва, параметров энергоносителя, диаметра выпускного отверстия, гомогенности

шихты и др.

Плавление шихты производится в руднотермических печах СКБ-6098.

Кожухи печей водоохдаждаемые, в результате чего на футеровке образуется

гарнисаж. Свод электропечи также имеет водяное охлаждение, в котором пре-

дусмотрены отверстия для загрузки шихты, удаления газов и ввода электродов.

Печь имеет две зоны. В первой зоне происходит плавление при температуре

2000-2200°С, во второй происходит гомогенизация расплава и поддержание

требуемой температуры.

Для улучшения структуры волокна, гладкости поверхности стеклони-

тей и уменьшения пылеобразования в перегретый пар подается поверхност-

но-активное вещество – эмульсол.

Слой массы слабоориентированных волокон с неволокнистыми включе-

ниями - «корольками» называют каолиновой ватой.

Из каолиновой ваты изготовляют различные изделия, из числа которых

наибольшее применение получили плиты. Для производства плит применяют

каолиновую вату и связки, в качестве которых используют: поливинилацетат-

ную дисперсию (ПВАД) ГОСТ 18992-73, карбамидные смолы, клей «Бусти-

лат», латексы, кремнезоль, глину, бентонит и др.

Сушка изделий производится горячим воздухом с температурой на вхо-

де в сушила 170-180°С. Влажность изделий после сушки не превышает 1 %.

Полимеризация связующего, происходящая при сушке, повышает механиче-

скую прочность изделий. Кажущаяся плотность изделий на органическом свя-

зующем находится в пределах 0,28▫0,32 г/см

Температура длительной эксплуатации алюмосиликатных волокнистых мате-

риалов с содержанием ~50 % Аl

не превышает 1260°С. Превышение темпе-

ратуры вызывает кристаллизацию волокна и усадку изделий.

Процесс получения борных волокон заключается в осаждении бора из

газовой фазы (смесь треххлористого бора и водорода) на предварительно очи-

щенную и нагретую электрическим током до 1090 °С вольфрамовую проволоку

диаметром 12 мкм. При высокой температуре происходит восстановление бора

2 ВСl

+ ЗН

→ 2В + 6НСl.