11. Строительные материалы и металлы

Строительные материалы

Обычные строительные материалы широко используют при сооружении печей наряду с рассмотренными выше огнеупорными и теплоизоляцион­ными изделиями. К ним относятся строительный кирпич, бутовый камень, бетон, гидроизоляционные материалы, лаки и краски.

Строительный (красный) кирпич. Размеры кирпича те же, что и у нормальных огнеупорных изделий. Его применяют для строительства фундаментов, боровов, сушил, стволов дымовых труб и для наружной изоляции некоторых печей. Предельная температура применения кирпи­ча 500—650 °С. Его средний коэффициент теплопроводности 0,8 Вт/(м х К), а плотность 1800 кг/м³. Для дымовых труб изготовляют кирпичи специальной формы и размеров (лекальный кирпич).

При сооружении элементов печей из строительного кирпича клад­ку выполняют на цементном или известковом растворе.

Клинкерный кирпич, изготовленный из тугоплавких глин, применя­ют для футеровки боровов и дымовых труб при температуре до 900 °С.

Бутовый камень. Он представляет собой куски горных пород непра­вильной формы массой до 15—40 кг. В печестроении применяют песча­никовые и известняковые камни. При этом предпочтение отдают песча­никовым, способным выдерживать температуру до 600 °С в то время как известняковые могут использоваться только до 200 °С. Бутовую кладку ведут на строительных растворах. Из бутового камня строят фундаменты печей; подпорные стены, стены различных коммуникацион­ных туннелей в цехах и т. п.

Бетон. Им называют искусственный камень, полученный в резуль­тате твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества (це­мента), воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Цемент при добавлении к смеси образует связующую массу, которая, обволакивая частицы песка и гравия и при затвердевании удерживая их вместе, фор­мирует монолит с высокими механическими свойствами.

В строительстве печей наиболее широко распространен портланд­цемент, в состав которого входят 60—70 % СаО, 19—24 % SiO₂, 4— 8 % А1₂О₃, 2-6 % Fe₂O₃₎ до 4,5 % MgO.

Эти оксиды при обжиге цемента образуют соединения, способные взаимодействовать с водой (гидратироваться), перекристаллизовываться и обеспечивать срастание кристаллов. Процесс схватывания (пре­вращения массы в монолит) протекает довольно быстро (до 12 ч), а процессы окончательного твердения (приобретение прочности) длятся месяцами, а иногда годами. Цементы (как и бетоны) маркируют по прочности на сжатие, приобретенной ими в течение 28 сут. Применяют портландцемент следующих марок: 200, 250, 300, 400, 500 и 600. Для ускорения схватывания в растворы добавляют хлористый кальций СаС1₂ (1—3 % массы цемента).

В портландцемент вводят также кремнеземистые активные добав­ки (трепел, диатомит и др.), которые способствуют твердению цемента и одновременно связывают известь в устойчивые соединения, повышая прочность и равномерность структуры бетона.

Ha базе портландцемента приготовляют шлако-портландцемент для выполнения быстросхватывающегося бетона, получаемый добавлением к цементу 30—50 % доменного шлака; этот бетон прочно сцепляется со стальной арматурой и не вызывает ее коррозию.

Расход цемента на 1 м³ бетона составляет не менее 200 кг, а запол­нителей около 2 т.

Глиноземистый цемент (быстротвердеющий), тоже широко исполь­зуемый в печестроении, имеет следующий состав: 35—48 % СаО, 45— 55 % А1₂О₃, 7—8 % SiO₂. В составе этого цемента основным минералом, способным гидратироваться, является алюминат кальция СаО- А1₂О₃

В печестроении в качестве связующего вещества часто применяют растворимое (жидкое) стекло, состоящее из силикатов натрия и калия. Его используют в виде водного раствора, твердеющего на воздухе вслед­ствие высыхания и выделения аморфного водного кремнезема, i

Гидроизоляционные материалы. При сооружении печей эти мате­риалы применяют для защиты от грунтовых вод фундаментов печей и дымовых труб, боровов, газоходов и кессонов регенераторов. Для этой цели широко применяют толь и рубероид (картон, пропитанный смолой и битумом, выпускаемый промышленностью в рулонах), а также гидро-зол (асбестоцеллюлозный картон, пропитанный битумом с температу­рой размягчения не ниже 50 °С. Используют также борулин-асбестовое волокно с температурой размягчения не ниже 65 "С, пропитанное би­тумом, а затем прокатанное в полотно толщиной 3—4 мм.

Лаки и краски. (Для горячих металлических поверхностей приме­няют специальные лаки и краски с целью их защиты от атмосферной коррозии.

Широко применяют масляный печной лак, состоящий из битума, смолы, масла и растворителя. Температура сушки лака около 120 °С и он надежно защищает металлические поверхности, хорошо сцепляясь с ними и не разрушаясь до 200 "С.

Снижению тепловых потерь излучением в окружающую среду (на­ряду с защитой от коррозии), способствует окраска горячих элементов металлоконструкций печей (кожухи, каркасы и т. п.) в серебристый цвет с помощью краски, составленной на основе масляного лака и смо­лы с тонким алюминиевым, порошком в качестве наполнителя

Металлы и сплавы

Расход металла для изготовления арматуры железобетонных кон­струкций, каркаса и кожуха печей очень велик и достигает сотен и ты­сяч тонн на печь в зависимости от ее типа и производительности. Для этих целей применяют сталь рядовых марок. Ее используют в виде стального листа и сортового проката. Применяют стальной лист тол­щиной от 4 (небольшие нагревательные печи) до 36 мм (доменные печи) для выполнения кожухов печей. Сортовой прокат используют для вы­полнения каркасов, рам, заслонок и дверей и других элементов кон­струкций, причем все соединения выполняют посредством сварки.

Стальные и чугунные отливки используют в виде плит оконных рам, холодильников, иногда подпятовых балок и т. д. Для глиссажных и опорных труб методических печей применяют цельнотянутые трубы.

Следует иметь в виду, что рядовые стали и чугуны удовлетвори­тельно служат при температурах не выше 350—400 °С. При более вы­соких температурах снижается механическая прочность стали, а в чугунах начинается процесс распада карбидов, сопровождающийся изме­нением размера изделий. Кроме того, чем выше температура, тем интенсивнее происходит окисление металла. Поэтому для того, чтобы конструкции, изготовленные из рядовых сталей и чугунов, не нагрева­лись выше 400 °С, их защищают от воздействия высоких температур с помощью теплоизоляции или выполняют водоохлаждаемыми.

Некоторые металлические элементы конструкций и деталей печей работают при температурах, превышающих 400 °С. Их изготовляют из жаростойких и жаропрочных сплавов. К этим элементам и деталям относятся: металлические рекуператоры, радиационные трубы, муфели термических печей для светлого отжига, штанги толкателей, ролики "в печах с роликовым подом, цепи в конвейерных печах, вентиляторы и высокотемпературные дымососы, а также многие другие узлы. Одни из этих элементов предназначены для службы при высоких температурах практически без внешней нагрузки, а другие подвергаются при этом воздействию иногда очень значительных нагрузок.

Для выполнения деталей, работающих под небольшой нагрузкой или вообще без нее, используют жаростойкие стали и сплавы. Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления тех деталей и узлов, которые предназначены для длительной службы при высокой температуре под нагрузкой.

Жаростойкой (окалиностойкой) называют сталь (сплав), обладаю­щую стойкостью к окислению при высокой температуре. Окалиностойкость сплаву придают легирующие добавки, окисляющиеся легче, чем железо, и образующие на поверхности изделия прочную тонкую пленку оксидов, защищающую его от воздействия окружающей среды. К таким добавкам относят хром, алюминий, кремний, марганец, титан, бор и др. Очень эффективным оказывается одновременное легирование несколь­кими из перечисленных элементов. Это позволяет обеспечить значи­тельное повышение жаростойкости.

Жаропрочной называют сталь (сплав), сохраняющую достаточную прочность в нагруженном состоянии, а также стойкую к окислению при высокой температуре. Жаропрочность стали обеспечивается при боль­шом содержании в ней хрома и никеля с добавками вольфрама, кобаль­та, молибдена, ванадия и других легирующих элементов. В ряде слу­чаев, когда предъявляются особо высокие требования к условиям служ­бы отдельных деталей и узлов печей при высоких температурах (например, рейтеры для глиссажных труб современных методических пе­чей, электрические нагревательные элементы и т. д.), используются не сплавы на основе железа (стали), а сплавы на основе кобальта, нике­ля, молибдена и хрома.

К настоящему времени разработано очень много марок жаростой­ких и жаропрочных сталей. Некоторые, наиболее употребляемые из них при сооружении печей приведены ниже:

для элементов конструкций печей, работающих без нагрузок до 600—650 °С: Х6С, Х9С2, Х12ЮС;

для крепежных деталей печей, работающих при небольших нагрузках до 600—650 °С: 15Х5М, 15X1ШФ;

для узлов и деталей, работающих при небольших нагрузках до 700—750 °С (теплообменники, муфели, крепеж): 12X13, 20X13, Х12НВМФ, 13Х11Н2В2МФ;

для деталей печей, работающих при существенных нагрузках до 750 °С (ролики, цепи и ленты печных конвейеров, штанги толкателей, опорные элементы футеровки): 10Х14Г14Н4Т, 17Х18Н9, 08Х18Н12Б;

для деталей и узлов, работающих при небольших нагрузках до 1050—1100°С (радиационные трубы, рекуператоры, детали горелок, муфели): 15Х25Т, 15X28;

для деталей и элементов, работающих при значительных нагрузках до 1050—1100 °С (штанги толкателей, элементы конвейеров и роликов, опорные плиты и брусья): 20Х23Н13; 20Х25Н20С2Л;

для деталей печных роликов, работающих под нагрузкой до 1050 °С: 20Х25Н20С2.

Из жаростойких чугунов широкое применение для выполнения ли­тых элементов конструкций печей нашел кремнистый чугун (силал). Из этого чугуна отливают игольчатые и блочные рекуператоры. При вы­полнении их из чугуна марки ЖЧС-5,5 они служат до температуры стен­ки 600 "С, а при использовании модифицированного магнием кремнисто­го чугуна марки ЖЧС-5,5-0,1 рабочая температура достигает 950 ^СС.

Разработаны и применяются также жаростойкие хромистые чугуны ЖЧХ-9, ЖЧХ-1,5 и ЖЧХ-2,5, допускающие использование изготовлен­ных из них деталей до 600—700 °С в окислительной среде.

Контрольные вопросы

1. По каким признакам классифицируются огнеупоры?

2. Что называется огнеупорностью?

3. Какие свойства характеризует механическая прочность?

4. Какие факторы определяют шлакоустойчивость?

5. Как влияет на тепловую работу печи теплопроводность?

6. Применение и свойства кремнеземистых огнеупоров

7. Применение и свойства алюмосиликатных огнеупоров

8. Применение и свойства магнийсодержащих огнеупоров

9. Применение и свойства цирконистых огнеупоров

10. Применение и свойства углеродсодержащих огнеупоров

11. Применение и свойства карбидкремниевых огнеупоров