Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет футеровок высокотемпературных электротехнологических установок. Учебное пособие
.pdf
ботку в крошку. Техническая характеристика пенодиатомитовой крошки
приведена в табл. 1.17.
Таблица 1.17
Свойства пенодиатомитовых и легковесных шамотных изделий
Показатели КПД-400-И ШЛ-0,4
Кажущаяся плотность (г/см3) 0,4 0,4
Предельная температура
эксплуатации (°С)
Предел прочности при сжатии (МПа), более 1,1 1,0
Усадка при предельной температуре
эксплуатации (%), менее
Теплопроводность (Вт/(м·К), при температуре (°С)
250
350
600
900 1150
1200 1300
0,1
0,14
0,15
–
0,2
0,25
Волокнистые материалы.
Материалы, состоящие из волокон или содержащие волокна, могут
иметь кажущуюся плотность значительно более низкую, чем плотность
массивного материала. Это свойство волокнистых материалов используют
для сверхтеплоизоляционных огнеупоров. Применение таких материалов
в технике не только способствует уменьшению потерь тепла, но и эффективно решает задачу снижения материалоемкости.
Большой класс составляют материалы из волокон и матрицы (массивного вещества), называемые композитами. В настоящее время волокнистые материалы и композиты применяют почти во всех отраслях техники
(конструкционные материалы, высокотемпературные сверхтеплоизоляторы, полупроводящие волокна, волокна с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью, волокна с измененной геометрией – полой капиллярной структурой, стекло-, боро- и углепластики, оптические волокна
и т.п.). Свойства некоторых неорганических волокон приведены в табл. 1.18.
Таблица 1.18
Свойства неорганических волокон
Волокно
Характеристика
Кажущаяся плотность
3
)
(г/см
Температура плавления
(разложения) (°С)
Предел прочности при
растяжении (МПа)
Борное на
вольфра-
мовой под-
ложке
2,60 4,84 3,15 1,84 4,09 2,36
2050 2650 2050 2980 2690 2450
2500-3500 2100 2100
ZrO2 Al2O3 BN
350-
1400
SiC на
вольфра-
мовой под-
ложке
550-2100
B4C
1800-
2350
21
Окончание табл. 1.18
Волокно
Характеристика
Диаметр элементарной
нити (мкм)
Борное на
вольфра-
мовой под-
ложке
95-105
ZrO2 Al2O3 BN
2,54-
7,62
– 5,15 – –
SiC на
вольфра-
мовой под-
ложке
B4C
Волокна на основе бинарной системы глинозем-кремнезем длительно работают при 1260°С, а с добавками оксидов хрома – при 14001500°С.
Каолиновая вата и изделия на ее основе. Каолиновая вата относится
к огнеупорным материалам, поскольку ее производят из натуральных огнеупорных глин и каолинов или из синтетических смесей каолинового
и высокоглиноземистого составов. Алюмосиликатные волокна системы
Al2О
-SiО2 имеют высокие температуры плавления (1900-1960°С).
3
Каолиновые волокна относятся к штапельным и представляют собой
затвердевшее высокотемпературное стекло. При нагревании каолинового
волокна выше некоторой температуры и в широком интервале температур
в течение длительного времени происходит расстекловывание, т.е. кристаллизация. При этом волокна теряют гибкость, эластичность и прочность. Для волокон с содержанием глинозема от 43 до 54% температура
длительного применения составляет 1260°С и температура плавления около 1780°С. Повышение содержания глинозема в пределах 43-55% несущественно влияет на температуру и скорость расстекловывания. Однако повышение содержания глинозема до 60% обусловливает меньшую степень
расстекловывания, чем у волокон с меньшим содержанием глинозема.
Добавка оксидов хрома в количестве 2~5% повышает вязкость стекла, что задерживает процесс кристаллизации и, как следствие, повышает
температуру длительного применения каолиновой ваты до 1450°С. Добавки около 3% диоксида циркония способствуют получению более длинного
волокна. Применяют также различные модифицирующие добавки: B
Fe2О
, MgO, TiО2, MnО2.
3
2О3
,
Если слой каолиновой ваты на выходе из камеры уплотняется валками до заданной кажущейся плотности и бока краев ковра ваты обрезаются
специальным механизмом, то такой продукт называют рулонным материалом. Выпускают сухой рулон и влажный; в последнем случае вату смачивают термореактивными органическими полимерами. Влажный рулон легко принимает необходимый профиль футеровки печей. При разогреве благодаря твердению полимеров футеровка из рулонного материала приобретает прочность камня.
Поликристаллические волокна. Создание волокнистого теплоизоляционного материала с температурой службы 1600°С и выше возможно при
22
использовании поликристаллических тугоплавких оксидов. Поликристаллические волокна из А1
состоят из микрокристаллов А1
2О3
размерами
2О3
5-50 нм, равномерно распределенных в аморфной матрице. Диаметр волокон в среднем составляет около 3 мкм, а их предел прочности при растяжении достигает 1000 МПа.
Температура применения волокон 1400-1600°С, теплоизоляционные
изделия на основе поликристаллических волокон А1
характеризуются
2О3
низкой теплопроводностью, равной 0,28 и 0,68 Вт/(м·К) соответственно
при 1000 и 1600°С, и низкой теплоемкостью (с = 1,005 кДж/(кг·К)). Счи-
тают, что применение поликристаллических волокон А1
в наиболее
2О3
теплонапряженных участках огнеупорной футеровки более эффективно,
чем изделий на основе каолиновой ваты.
Поликристаллические волокна получают из ZrО2. Диоксид циркония
по сравнению с другими оксидами обладает наименьшей теплопроводностью, которая мало зависит от температуры. Теплоизоляционные изделия,
изготовленные из волокон ZrО2, имеют низкую теплопроводность – при их
кажущейся плотности 0,4 г/см
3
она составляет 0,14, 0,20 и 0,27 Вт/(м·К)
при 500, 1000 и 1500°С соответственно. Некоторые характеристики поликристаллических волокон отечественного и зарубежного производства
приведены в табл. 1.19.
Таблица 1.19
Некоторые характеристики оксидных
поликристаллических волокон различных марок
Страна – производитель, марка волокна
Показатели
Массовая доля (%)
Al
2O3
SiO
2
ZrO2
Y
2O3
Истинная
плотность (г/см3)
Температура
службы (°С)
Предел прочности
при растяжении
(МПа)
Средний размер
волокон (мкм)
Удельная
Поверхность (м
Теплопроводность,
(Вт/(м·К)) при
Температуре (°С)
Великобритания США Россия
Saffil Saffil Fidermax Zircar ГВ-8 ГВ-3
2
95
5
–
–
2,8-3,5 5,5 3,0 5,6-5,9 3,56 3,56
1400 1600 1650 1600 1400 1500
103,4 10,3
3 3 2-3,54 6 8
/г)
1,5 2,5
0,210
–
–
92
8
0,150
72
25
–
–
Нет
сведений
Нет
сведений
–
–
–
92
8
Нет
сведений
1,0
0,11
сведений
сведений
92
8
–
–
Нет
Нет
95
5
–
–
3
Нет
сведений
Нет
сведений
23
Окончание табл. 1.19
Страна – производитель, марка волокна
Показатели
800
1400 0,510 0,405 – 0,19
Великобритания США Россия
Saffil Saffil Fidermax Zircar ГВ - 8 ГВ – 3
0,22
Нет
сведений
0,21
Нет
сведений
Путем термохимической обработки хризотил-асбеста соляной кислотой получают высококремнеземистые волокна «Сивол» (SiО2 волокнистое). Диаметр элементарного волокна составляет 30-50 нм, что в 20-30 раз
меньше минимального диаметра кварцевого волокна, получаемого другими методами. Фактический выход волокна составляет 38-40% (теоретически 43,5%).
Волокно «Сивол» наследует структуру хризотил-асбеста. Длина волокон колеблется от 20 до 1000 мкм, истинная плотность составляет 2,02,1 г/см3, полная удельная поверхность, определенная по БЭТ – 450 м
2
/г.
На основе поликристаллических волокон марок ГВ-8 и ГВ-З изготавливают жесткие изделия на минеральной связке. Характеристика изделий
приведена в табл. 1.20.
Таблица 1.20
Характеристика изделий различных марок
из поликристаллических корундовых волокон
Показатели
Массовая доля, %
Al2O3
SiO2
Потери массы при
прокаливании (%)
Кажущаяся плотность
(кг/м3)
Предел прочности
при изгибе (МПа)
Теплопроводность при
средней температуре, 800°С,
(Вт/(м·К))
Температура службы (°С) 1600 1600 1500
МКПП – 300 МКПП – 400 МЛПП – 300
80
20
1 1 1
300 400 300
0,4 0,5 0,4
0,20 0,18 0,20
Марки изделия
80
20
70
30
Углеродистым (углеродным) волокном называют волокно, состоящее
фактически из элементарного углерода. Углеродные волокна классифицируют по исходному материалу, форме продукта, свойствам и другим признакам. В зависимости от исходного сырья выделяют углеродное волокно
на основе полиакрилнитрила (ПАН), вискозы и волокно, получаемое на
основе каменноугольного или нефтяного пека. По форме выделяют непрерывные волокна и короткие (рубленые), поставляемые в измельченном ви-
24
де после переработки в жгуты или маты. Углеродные волокна на основе
ПАН имеют модуль упругости на уровне 230 ГПа, углеродные волокна пека – в пределах от 50 до 950 ГПа. Основную массу волокон на пековой основе получают в виде рубленого продукта, т.к. они труднее, чем углеродное волокно на основе ПАН, поддаются прядению для получения нити.
Углеродные волокна в промышленности получают из используемых
в текстильной промышленности органических волокон, среди которых
наибольшее применение имеют целлюлозное волокно (вискоза) и синтетическое ПАН-волокно.
Структура графита имеет высокие прочность и жесткость в направлении плоскости графитового слоя, благодаря прочным двойным связям
атомов углерода. Такая структура обусловливает высокую прочность и малую плотность углеродного волокна. При комнатных температурах кристалл графита имеет отрицательный ТКЛР и высокую теплопроводность.
Эти свойства характерны для высокомодульных углеродных волокон на
пековой основе с сильно развитыми кристаллами графита.
Огнеупорные изделия с использованием волокон. Рассмотрим,
например, нетканые углеродные волокна, которые являются современным
и широко применяемым материалом для высокотемпературной изоляции.
Из графитового волокна производят графитовый войлок, который служит
для высокотемпературной изоляции самых разных объектов. В настоящее
время теплоизоляционные материалы изготавливают из очень тонких волокон различных материалов. Получают сверхтонкие волокна различными
способами, например, термообработкой исходных волокон химических
и природных, центрифугированием, методом вытягивания, с помощью
энергии СВЧ. Эффективность волокнистой теплоизоляции основывается
на удержании большого объема воздуха. Для теплоизоляции наиболее эффективно смешанное расположение волокон (продольно-поперечное).
Композитные материалы с углеродными волокнами обладают многими особыми свойствами. Во-первых, это исключительная устойчивость
к высоким температурам: в инертных средах до 3000°С, на воздухе снижается до 450°С. За счет этого углеродные композитные материалы используют для высокотемпературной изоляции. Во-вторых, они имеют прочность
3,6
Гн/м при этом материал очень легкий. Углеродные волокна – отличные
сорбенты, в чем превосходят все жаростойкие материалы. Основываясь на
свойствах композитных материалов с углеродным волокном, их часто используют для фильтрации агрессивных сред и очистки различных газов.
1.2. Огнеупорные материалы для внутренней
и внешней теплоизоляции
Огнеупорные материалы (огнеупоры) – материалы на основе мине
-
рального сырья, отличающиеся способностью сохранять свои свойства
25
в условиях эксплуатации при высоких температурах; служат в качестве
конструкционных материалов и защитных покрытий. Сырье для огнеупорных материалов – простые и сложные оксиды (например,
ZrO
, MgO,·SiO2), бескислородные соединения (например, графит, нитри-
2
SiO
, Al
2
2O3
, MgO,
ды, карбиды, бориды, силициды), а также оксинитриды, оксикарбиды, сиалоны.
Эксплуатационные свойства огнеупорных материалов определяются
комплексом химических, физико-химических и механических свойств. Основное свойство огнеупорных материалов – огнеупорность, т.е. способность материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур. Различают материалы средней огнеупорности (1580-1770°С),
высокоогнеупорные (1770-2000°С) и материалы высшей огнеупорности
(выше 2000°С). Состав и свойства некоторых огнеупоров приведены
в табл. 1.21.
Другие важные свойства огнеупорных материалов – пористость,
термическая стойкость, теплопроводность, температура начала деформации под нагрузкой и химическая стойкость в различных средах.
Таблица 1.21
Состав и свойства огнеупоров
Содержание основ-
Огнеупоры
Динасовые SiО2 ≥ 93 1710-1730 Внутренняя и внешняя
Кварцевые SiО2 ≥ 97 1670 Внутренняя и внешняя
Кварцевые (бетонные
и безобжиговые)
Полукислые
Шамотные 28 ≤ A12O3 ≤ 45 1610-1750 Внутренняя и внешняя
Из глиноземнокремнезистого стекла
(волокнистые)
Доломитовые
Форстеритовые
Магнезиальные
(периклазовые)
Шпинельные
Бадделеитовые ZrО2 > 90 2000-2300 Внешняя
Цирконовые ZrO2 > 50; SiO2 > 25 > 2000 Внешняя
ных компонентов
в % по массе
Среднеогнеупорные материалы
SiО2 ≥ 85 1730 Внутренняя и внешняя
SiO2 < 85;
A1
Высокоогнеупорные материалы
40 < A12О3 < 90; 1750-1850
10 < MgO ≤ 50;
45 ≤ CaO ≤ 85
50 ≤ MgO ≤ 65;
25 ≤ SiO2 ≤ 40
Материалы высшей огнеупорности
25 ≤ MgO ≤ 40;
55 ≤ A12O3 < 70
< 28
2O3
MgO ≥ 85; > 2000
Темпера-
тура, (°C)
1610-1710
1800-1950
1750
> 2000
Вид футеровки
Внутренняя
и внешняя
Внутренняя
и внешняя
Внутренняя
и внешняя
Внутренняя
и внешняя
26
Окончание табл. 1.21
Содержание основ-
Огнеупоры
Углеродосодержащие 8 ≤ С ≤ 85 > 2000 Внешняя
Графитированные C > 98 2600 Внешняя
Оксидные
На основе бескислородных
соединений
Карбидокремниевые SiC > 70
* Близка к температуре плавления.
ных компонентов
в % по массе
Из огнеупорных
оксидов
BeO, MgO, ZrO2
Из нитридов, карби-
дов, боридов и т.д.
Темпера-
тура, (°C)
1800 –
3050*
2000 –
3400*
Вид футеровки
По пористости (объемной доле пор в процентах) различают особо
плотные огнеупорные материалы (пористость менее 3%), высокоплотные
(3-10%), плотные (10-20%), среднеплотные (20-30%), легковесные
(45-75%) и ультралегковесные (75-90%). К последним обычно относят во-
локнистые огнеупорные материалы. Высокоогнеупорные огнеупорные материалы и материалы высшей огнеупорности обладают, как правило, малой пористостью.
Их микроструктура представляет собой контактирующие друг с
другом крупные зерна, между которыми располагаются более мелкие зерна
и большая часть пор. Огнеупорные материалы могут быть формоваными – кирпичи, бруски, трубы, фасонные изделия и неформованными – порошки, обмазки, смеси для огнеупорных бетонов и др. По характеру термической обработки различают безобжиговые и обожженные огнеупорные
материалы.
Формованные огнеупорные материалы применяют
для изготовления
огнеупорных кладок стен, сводов, подов и др. конструкций коксовых, мартеновских и доменных печей, печей для выплавки различных сплавов; неформованные – для заполнения швов при кладке формованных огнеупоров, нанесения защитных покрытий на металлы и огнеупоры. Огнеупорные
массы из огнеупорного порошка, связываемого каменноугольной смолой,
растворимым стеклом или полимерным
связующим, используют преимущественно для изготовления рабочего слоя подов и откосов сталеплавильных печей и футеровки конвертеров; огнеупорный бетон, состоящий из огнеупорного наполнителя, вяжущего и добавок (затвердевает при температуре ниже 600°С) – для изготовления монолитных конструкций, заменяющих кладку из формованных огнеупорных материалов. Разновидностью
огнеупорных бетонов являются пластичные обмазки (т
.н. торкрет-массы),
содержащие органические или фосфатные вяжущие и послойно наносимые
под давлением сжатого воздуха (торкретирование) на внутреннюю поверхность тепловых агрегатов.
27
Динасовые огнеупорные изделия. Динасовыми называют огне-
упорные изделия с содержанием кремнезема
SiО
не менее 93%. Основ-
2
ным сырьем для производства динасовых изделий являются цементные
и кристаллические кварциты с содержанием
SiО
не менее 95%. Диэ-
2
лектрическая проницаемость кварцита 3,5-4,5, истинная плотность 2,4-
г/см
3
.
2,5
Обладая высокой огнеупорностью, хорошей устойчивостью к разрушению кислыми шлаками и большой механической прочностью, динасовые изделия широко применяются на строительстве и ремонте мартеновских и электросталеплавильных печей, коксовых батарей и стекловаренных печей (табл. 1.22).
Необходимо отметить, что в настоящее время динасовые изделия
в мартеновских и электросталеплавильных печах в значительной
степени
заменяются магнезитохромитовыми изделиями, обеспечивающими более
продолжительную работу этих печей.
Таблица 1.22
Технические требования по физико-химическим свойствам динаса
Свойства
Огнеупорность
(оС), не менее
Температура начала деформации под
нагрузкой 0,2 МПа,
(оС), не менее
Истинная плотность (г/см3), не
более
Пористость открытая (%), не более
Прочность при
сжатии (МПа),
не менее
Для кладки мартенов-
ских печей
Особого
назначе-
ния
1710 1710 1690 1720
1660 1650 1620 1660 1650
2,36 2,38 2,4 2,34 2,37 2,38
23 23 25 22 16 22
22 20 18 25 50 15
класс
1 2
Для электростале-
плавиль-
ных печей
Для клад-
ки коксо-
вых печей
–
Для клад-
ки стек-
ловарен-
ных печей
1710
–
Кварцевая керамика [14]. Кварцевой керамикой называют материа-
лы, получаемые преимущественно из кварцевого стекла по керамической
технологии. В качестве исходного сырьевого материала применяется кварцевое стекло (а также отходы, бой, брак), синтетический аморфный
кремнезем, кристаллический кремнезем. После обжига изделия имеют
среднюю плотность 1,8-2,2 г/см3; открытую пористость 20-25%; прочность
на изгиб 20-70 МПа; диэлектрическую проницаемость 3-3,5; тангенс угла
диэлектрических потерь 2·10-4.
28
Кварцевое стекло обладает комплексом ценных физико-химических
свойств; термостойкостью, огнеупорностью, химической и радиационной
стойкостью, прозрачностью в широком диапазоне длин волн, высокими
электроизоляционными свойствами. Отличительными свойствами изделий
из кварцевой керамики являются высокая термостойкость, низкий ТКЛР,
равный 0,5·10
-6К-1
.
Температура относительно длительной службы изделий из кварцевой
керамики составляет 1200-1300°С; возможно кратковременное использование в области температур 1600-1700°С. Основной причиной, ограничивающей температуру применения керамики из кварцевого стекла, а также
плавленнолитых кварцевых изделий, является кристаллизация кристобалита, имеющая место при температуре около 1200°С и приводящая к резкому
снижению прочности и термостойкости. Причиной кристаллизации кристобалита являются примеси, поэтому керамика, изготовленная из более
чистого сырья, устойчивее к процессу кристобалитизации.
На рис. 1.1 показана зависимость теплопроводности кварцевой керамики от температуры при различных значениях пористости. Для сравнения
приведена также зависимость λ прозрачного плавленого кварца, по обобщенным литературным данным (рис. 1.2).
Общей закономерностью является снижение теплопроводности
с увеличением пористости. Резкое снижение теплопроводности при 800°С
может быть объяснено за счет уменьшения плотности. Для керамических
материалов изменение плотности на 1,5% обычно приводит к изменению
теплопроводности менее чем на 10%. В данном случае резкое снижение
можно объяснить снижением прозрачности материала в инфракрасной области.
Диэлектрические свойства радиопрозрачных керамических материалов представлены в таблице 1.23.
Рис. 1.1. Зависимость теплопроводности от температуры
при различных значения плотности
29
Рис. 1.2. Теплопроводность кварцевой керамики в зависимости
от пористости при температурах 100, 500 и 800°С
Диэлектрические свойства радиопрозрачных керамических материалов
Изменение ве-
личины ε по
сравнению с ε
при 20°С (%)
Материал
Температура
(°С)
Диэлектриче-
ская проницае-
мость
Таблица 1.23
Тангенс угла
диэлектриче-
ских потерь
Кварцевая
керамика
Окись
алюминия
Пирокерам
9606
Окись
бериллия
24
260
540
815
1095
1375
24
260
540
815
1095
24
260
540
815
1095
24
260
540
815
3,17
3,17
3,17
3,18
3,28
3,40
9,3
9,5
9,8
10,1
10,3
5,5
5,5
5,55
5,7
–
6
6,15
6,4
6,8
–
–
–
0,315
3,15
7,9
–
2,6
5,4
8,6
10,8
–
–
0,9
3,6
10
–
2,5
6,7
13,3
0,0002
0,0003
0,0004
0,0006
0,007
0,12
0,0001
0,0001
0,0002
0,0006
0,003
0,0003
0,0005
0,0018
0,009
–
0,0005
0,0006
0,0008
0,0014
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]