книги из ГПНТБ / Плотников Л.А. Огнеупоры в черной металлургии учеб. пособие для учащихся техникумов

Коэффициент

теплопровод­

ности при тем­ пературе 600° С

на горячей сто­ роне, не более,

вт/(м-град)

легковесных огнеупорных изделий, выпускаемых пред­ приятиями СССР.

Динасовые легковесные огнеупорные материалы, свойства которых приведены в табл. 44, представляют собой новый теплоизоляционный материал, освоенный огнеупорной промышленностью сравнительно недавно.

По методу выгорающих добавок возможно изготовле­

240

упорный материал, характеризуется высокими эксплуата­ ционными свойствами. При изготовлении легковесного динаса в качестве выгорающих добавок применяют отсев коксика или антрацит. Керамические и термические свой­ ства легковесного динаса приведены в табл. 45.

Данные табл. 45 показывают, что легковесный динас имеет весьма высокую для теплоизоляционного огнеупора температуру деформации 1630—1640° при огнеупорности 1685—1680°, т. е. он сохраняет обычный для динаса ма­ лый температурный промежуток между вышеприведен­ ными величинами.

Другие свойства легковесного динаса показывают, что от шамотных легковесных изделий он отличается высо­ кой температурой деформации под нагрузкой и практи­ ческим отсутствием дополнительной усадки при высоких температурах службы. Эти качества позволяют приме­ нять легковесный динас в рабочей футеровке печей с дли­ тельно воздействующими температурами до 1550° С,

а также в качестве второго теплоизоляционного слоя за рабочей футеровкой высокотемпературных печей. При этом в зоне контакта легковесного динаса с хромитовым, хромом агнезитовым, форстеритовым и высокоглиноземи­ стым кирпичом допускается температура до 1550° С, а с магнезитовым — до 1450° С.

Кроме огнеупорных легковесных изделий, свойства которых при­ ведены в табл. 45, за последнее время появилось много новых и эф­ фективных теплоизоляционных материалов. Особенно эффективным теплоизолирующим действием обладают циркониевые пористые ке­

габаритные изделия, не смачиваемые расплавами многих металлов и устойчивые к их действию.

Наивысшая температура службы этих изделий в инертных сре­ дах достигает 2200° С, в окислительных — до 1650° С и в вакууме — до температуры, несколько ниже, чем температура заметной их суб­ лимации.

Карборундовые изделия, полученные по пенометоду на глини­

дового легковеса, содержащего 99% АЬОз. Для этого применен ме­

образователей. Применение огнеупорного корундового легковеса возможно при температурах до 1750° С.

Возможно получение высокоглиноземистого огнеупорного легко-- веса из силлиманитового сырья по методу выгорающих добавок. Легковесные огнеупорные изделия, изготовленные из масс с кианитовыми и силлиманитовыми концентратами, имеют следующие свой­

242

Применение этих легковесных кирпичей, содержащих —48% А12 03 , позволяет интенсифицировать работу различных тепловых аг­ регатов, применяемых в металлургии.

За последние годы в металлургии для тепловой изоля­ ции печей начали довольно широко использовать керами­ ческие волокнистые материалы, получаемые из различно­ го огнеупорного сырья (после его расплавления) в виде слегка спрессованных слоев (матов) огнеупорного во­ локна или ваты.

Средний диаметр волокон огнеупорной ваты состав­

Огнеупорную вату в качестве теплоизоляционного ма­ териала используют в металлургии взамен легковесных огнеупоров, в футеровке различных печей, а также для заполнения пространства между экранами в отражатель­ ной высокотемпературной тепловой изоляции.

Особенно целесообразно применять волокнистые огне­ упорные материалы для тепловой изоляции конструк­ тивных элементов промышленных печей, подвергаемых

Существует интересный опыт применения тепловой изоляции огнеупорным волокном глиссажных водоохлаждаемых труб методических нагревательных печей. Расход тепла в этих трубах весьма велик и достигает 29000 кет (25X106 ккал/ч). Тепловая изоляция глиссажных труб позволяет резко снизить потери тепла, улучшить равно­ мерность распределения температур в нагреваемых заго­ товках, уменьшить закалку в зоне контакта заготовок с глиссажными трубами, повысить производительность нагревательных печей и сократить расход охлаждающей воды.

Применение в данном случае хрупких штучных легко­ весов нецелесообразно, так как глиссажные трубы во вре­

преимуществами по сравнению со штучными изделиями, состоящими в удобстве монтажа тепловой изоляции, а также в отсутствии образования трещин во время ра­ боты нагревательных печей.

Для изоляции водоохлаждаемых глиссажных труб ис­ пытаны хромоалюмокремиеземистые волокнистые огне­ упорные материалы, характеризуемые следующими свой­ ствами: объемной плотностью 17,1—192 кг/м3 при нали­ чии хороших теплоизоляционных свойств при 815° С; хорошей термической стойкостью при < 1427° С; удоб­ ством монтажа; устойчивостью к действию вибрации.

Хромоалюмокремиеземистые волокнистые материалы изготавливают по методу вакуумной формовки из шли­

При тепловой изоляции штучным огнеупорным легкове­ сом эти тепловые потери снижаются до 316 квт/м2, или 272000 ккал/(м2-ч), а в условиях применения волокни­ стых огнеупорных материалов они составляют всего лишь 100 квт/м2, или 86500 ккал/ [м2 -ч).

Наиболее продолжительный срок службы (до 6 меся­ цев) теплоизоляционной футеровки из волокнистых огне­ упоров существует в нагревательных печах, отапливае­ мых газом, расход которого при эксплуатации неизоли­ рованных глиссажных труб составляет —2,4 -105, а при применении для изоляции огнеупорного волокна 1,5-

• 105 мг/сутки.

При осуществлении тепловой изоляции металлургиче­ ских печей всегда необходимо определять температуру, возникающую на границе огнеупорная кладка — легко­ вес, и сравнивать ее с максимально допустимыми темпе­ ратурами для данных конкретных условий.

На рис. 60 приведены условия и результаты эксплу­ атации трех различных вариантов кладки стен промыш­ ленных печей с применением керамического огнеупор­ ного волокна, минеральной ваты, огнеупорного шамот­ ного легковеса и обычного плотного шамотного кирпича.

Наружная тепловая изоляция снижает тепловые по­ тери за счет теплопроводности кладки, но тепловые по-

244

тери за счет аккумуляции тепла кладкой печи остаются при этом очень высокими.

Внутренняя тепловая изоляция, выполненная из ма­ лотеплопроводного материала, с малой объемной плот­

стве печи образуется агрессивная среда, разрушающая теплоизоляционную футеровку из керамического во­ локна.

Следовательно, основным критерием для оценки эко­ номической эффективности применения легковесных ог­ неупоров является экономия тепла, получаемая при при­ менении этих огнеупоров. Так 1 г легковесных огнеупо­ ров ЕЛ-1,3 эквивалентна 2,5—3,0 т шамотного кирпича, а 1 т ультралегковеса БЛ-0,4 — заменяет 18—20 т ша­ мотного кирпича.

При использовании огнеупорного легковеса снижа­ ется расход топлива или электрической энергии, повы-

245

шается производительность тепловых агрегатов, обеспе­ чивается стабильность технологического процесса и по­ вышается качество выпускаемой продукции.

Например, потери тепла в роликовых печах конст­ рукции Стальпроекта, работающих при 930—1100° С, футерованных легковесными огнеупорами БЛ-1,0, сни­ жаются почти вдвое.

Большой экономический эффект можно получить при широком внедрении ультралегковеса БЛ-0,4 взамен ша­ мотного легковеса БЛ-0,8; БЛ-1,0 и БЛ-1,3 в периоди­ ческих печах для нормализации деталей, нагрева поко­

требляется черной металлургией, но общий уровень ис­ пользования этих огнеупоров пока еще недостаточен.

Теплоизоляционный кирпич широко применяют в ме­ таллургии для наружной кладки томильных колодцев печей, подогрева слитков перед прокатом, а также для футеровки горячей стороны печей различных типов, слу­ жащих для термической обработки изделий.

Внастоящее время качество выпускаемых теплоизо­ ляционных огнеупорных изделий улучшается, а их ассор­ тимент расширяется, что расширяет области примене­ ния этих изделий в металлургии.

Вотдельных случаях «полулегковесные» изделия, т. е. изделия с пониженной объемной плотностью, можно применять для кладки сводов промышленных печей. Например, для кладки большого купольного съемного свода периодической печи можно использовать корундо­ вые полулегковесные огнеупорные изделия, изготовлен­ ные по способу полусухого прессования из корундового шамота с добавкой тонкомолотого глинозема и выгора­ ющих добавок.

При изменении пористости от 16,7 до 42% коэффи­ циент теплопроводности корундового полулегковеса при

1250°С изменяется от 3,35 до 2,00 вт/(м-град), или от 2,88 до 1,71 ккал/(м- ч-град). Отношение объемных плот­ ностей полулегковеса и плотного корундового огнеупора

246

при этой температуре составляет 0,61. Этот огнеупорный материал, характеризуемый объемной плотностью, рав­ ной 2340—2240 кг/мг, пригоден для рабочей футеровки стен и кладки сводов высокотемпературных печей пе­ риодического и непрерывного действия, работающих при 1750—1800° С.

Каолиновый кирпич КЛ-1,3, полученный по методу выгорающих добавок, можно применять для теплоизо­ ляции стен и сводов термических и других промышлен­ ных печей при достаточно резких колебаниях темпера­ туры, но при отсутствии шлаковой агрессии.

Г л а в а VIII

Н О В Ы Е ВИДЫ В Ы С О К О У С Т О Й Ч И В Ы Х О Г Н Е У П О Р Н Ы Х И З Д Е Л И Й И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ П Р И М Е Н Е Н И Я

§ 1. С В О Й С Т В А О Г Н Е У П О Р О В

С П Р Я М Ы М И С В Я З Я М И , А ТАКЖЕ Н А Х И М И Ч Е С К О Й С В Я З К Е И П Р И М Е Н Е Н И Е ИХ В Ч Е Р Н О Й МЕТАЛЛУРГИИ

Вследствие непрерывно возрастающей интенсифика­ ции металлургических процессов большой интерес вызы­ вают высокоустойчивые огнеупорные изделия новых ти­ пов, например огнеупоры с прямыми связями. Основны­ ми огнеупорами с прямыми связями называются такие изделия, в которых пленка силикатных расплавов, окру­ жающая зерна хромита и периклаза, в той или иной степени заменена прямыми связями периклаз — шпи­ нель и периклаз — периклаз. Для образования достаточ­ ного числа прямых связей в основном огнеупорном ма­ териале необходимо, чтобы в процессе обжига изделий возникло достаточное количество контактов между час­ тицами твердой фазы, входящих в состав обжигаемых огнеупоров.

Эта величина, определяемая пространственным рас­ пределением расплава в огнеупорах, зависит от угла смачивания кристаллических фаз жидкой фазой, а так-

247

же от соотношения величин межфазных энергий. При оптимальной величине угла смачивания возрастает воз­ можность контакта между твердыми кристаллическими частицами, входящими в состав черепка обжигаемых огнеупорных изделий; увеличивается также и количест­ во прямых связей.

Прямая связь — это результат физико-химических процессов, протекающих в твердом состоянии непосред­ ственно в зоне контакта кристаллических частиц во время обжига огнеупорных изделий.

Управление процессами образования прямых связей возможно не только уменьшением количества жидкой фазы (расплава) в обжигаемом черепке, но и регулиро­ ванием фазового состава и, соответственно, поверхност­ ных свойств жидкой и твердой фаз.

При обжиге изделий из магнезитовой шихты, содер­ жащей грубозернистый хромит и большое количество тонкозернистого магнезита, в ней последовательно про­ ходят реакции в твердой фазе образования силикатов в результате взаимодействия между периклазом и при­ месями, находящимися в хромите. Образовавшиеся си­ ликаты расплавляются, и одновременно происходит рас­ творение в них полуторных окислов, включая СГ2О3. За­ тем силикатный расплав мигрирует в промежутки между крупными зернами черепка, что способствует развитию прямой связи между находящимися в кон­ такте зернами периклаза и хромита. Количество сили­ катного расплава должно быть минимальным.

Прямые связи между зернами этих компонентов представляют собой результат кристаллизации шпине­ лей из малых количеств расплава в процессе его твер­ дения. Впервые на мировом рынке огнеупоры с прямы­ ми связями появились в конце 1961 г. и с того времени стали предметом непрерывного и интенсивного изучения с целью повышения их рабочих свойств, в результате чего установились современные научные представления о сущности и характере прямых связей в этих огне­ упорах.

Главными условиями, определяющими интенсивное образование прямых связей в основных огнеупорах, яв­ ляется отсутствие или минимальное содержание распла­ вов силикатов в огнеупорном черепке, препятствующее непосредственному контакту между зернами кристалли-

248

ческой фазы, а также применение высокотемпературно­ го обжига.

Все это способствует образованию более тонкой си­ ликатной пленки и благоприятствует более тесному кон­ такту между зернами периклаза и хромита.

Установлено, что при добавке к шихте для производ­ ства основных огнеупоров с прямыми связями неболь­ ших количеств соединений Ті, V, Cr, Mn, Fe процесс образования прямых связей протекает интенсивнее.

При высокотемпературном обжиге (до 2000° С) из­ делий из хромитомагнезитовых шихт, не содержащих силикатов, происходит образование твердых растворов шпинелей, выделяющихся при охлаждении на кристал­ лических поверхностях зерен, образуя при этом интен­ сивные прямые связи между ними.

Образование прямых связей возможно также при медленном охлаждении обожженных изделий. При этом происходит выделение вторичной шпинели из силикат­ ного расплава и образование прямых связей.

При длительной выдержке обожженных изделий не­ сколько ниже температуры обжига возможно также вы­ деление кристаллов периклаза, растворенного в сили­ катном расплаве, и образование при этом прямых свя­ зей. Это представляет существенный интерес для произ­ водства промышленных партий огнеупоров с прямыми связями, так как технические исходные материалы со­ держат некоторое количество силикатов.

Соблюдение изложенных положений и тщательный контроль производственных процессов позволяют в на­ стоящее время осуществлять производство основных ог­ неупоров с прямыми связями в значительных масштабах.

Для производства высококачественного основного кирпича с прямыми связями необходимо применять ис­ ходное сырье высокой чистоты и высокотемпературный обжиг (>1700°С) изделий.

Количество различных примесей (в том числе сили­ катов), содержащихся в магнезите и хромите, не долж­ но превышать 2—3%.

Для увеличения скорости реакций между зернами хромита и магнезита и достижения в кирпиче равномер­ ного распределения шпинельной связки следует приме­ нять тонкий помол исходных сырьевых материалов, главным образом окиси хрома.

249