Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет футеровок высокотемпературных электротехнологических установок. Учебное пособие
.pdf
Кварцевую керамику широко применяют в атомной, авиационной,
ракетной и многих других областях новой техники. Керамику на основе
плавленого кварца применяют при непрерывной разливке стали в виде
стаканов, труб и других изделий, деталей, применяемых при точном литье
по выплавляемым моделям и т. д. Используют в технике также высокопористую кварцевую керамику, изготавливаемую пенометодом.
Шамотными называют изделия, изготавливаемые из огнеупорных
глин и каолинов с отощением их шамотом или непластичной, не размокающей в воде глинистой породой. Шамотом называется глина, обожженная
до температуры, при которой она теряет пластические свойства. Сырьем
для производства шамотных изделий служат глинистые материалы, содержащие не менее 28% А1
Максимальное содержание А1
Оз и имеющие огнеупорность не ниже 1580°С.
2
в шамотных изделиях может достигать
2О3
45% при использовании чистых каолинов. Диэлектрическая проницаемость шамота ≈ 5,5.
Огнеупорные шамотные изделия общего назначения в зависимости
от огнеупорности делятся на марки: ША – с огнеупорностью не ниже
1730°С; ШБ – с огнеупорностью не ниже 1670°С; ШВ – с огнеупорностью
не ниже 1580°С; ШУС – с огнеупорностью не ниже 1580°С (для тепловых
агрегатов с умеренными температурными условиями эксплуатации).
Шамотные огнеупорные изделия
являются наиболее распространенными материалами для кладки промышленных печей и их вспомогательных устройств до температуры 1350-1400°С, т.е. температур, при
которых шамотные изделия начинают деформироваться под нагрузкой
2
кгс/см
2
.
Шамотно-каолиновые огнеупоры. Целесообразность применения ка-
олина в качестве исходного сырья обусловлена повышением содержания
А12Оз в обожженном изделии и уменьшением суммы примесей. Каолины
содержат 40-45% Al
(на прокаленное вещество) и 2,5-3% примесей,
2O3
в т.ч. не более 0,5% щелочей. Огнеупорность каолина 1750-1770°С.
Технология каолиновых изделий подобна производству шамотных
изделий. Изделия, получаемые из многошамотной массы, имеют пористость 10-14%, среднюю плотность 2,32-2,35 г/см3, прочность на сжатие
100 МПа и весьма высокую стеклоустойчивость. Температура начала деформации под нагрузкой таких изделий составляет 1500°С. Большая стоимость исходного сырья оправдывается повышенными свойствами каолиновых изделий.
Высокоглиноземистыми называются изделия, содержащие глинозема
А12О
более 45%. Для их изготовления используют главным образом тех-
3
нический глинозем с добавлением огнеупорной глины. Непосредственно
из технического глинозема изготовляют высокоглиноземистые корундовые
изделия, из глинозема и огнеупорной глины в соответствующих пропорциях – силлиманитовые, муллитовые и муллитокорундовые изделия.
31
Термическая стойкость высокоглиноземистых изделий зависит
прежде всего от особенностей их строения. Наибольшей термостойкостью
характеризуются изделия муллитового состава, близкого по содержанию
А12О
тельно низким ТКЛР (~ 5·10
к 72%, что обусловлено небольшим содержанием стекла и сравни-
3
-6К-1
).
Повышение количества корунда в изделиях повышает прочность,
теплопроводность, а также химическую стойкость по отношению к основным и особенно кислым шлакам.
Муллитовые и муллитокорундовые изделия получают с применением технического глинозема, огнеупорных глин и каолинов. Пористость высокоглиноземистых муллитовых и муллитокорундовых изделий составляет
около 15-20%, предел прочности при сжатии – 150-200 МПа, температура
начала деформации не ниже 1600-1650°С.
Высокоглиноземистые огнеупорные изделия обладают высокими огнеупорностью и температурой начала деформации под нагрузкой, а также
термостойкостью и большой плотностью. Поэтому они нашли широкое
применение при кладке доменных печей, воздухонагревателей, мартеновских печей, стен бассейна стекловаренных печей и других элементов
промышленных печей, где требуется применение огнеупоров высокого
ка-
чества.
Магнезиальными (периклазовыми) называют огнеупоры, содержащие не менее 85%
MgO. Огнеупорная промышленность выпускает два ви-
да магнезитовой продукции: металлургические порошки, идущие для
наварки подин мартеновских и электросталеплавильных печей, и магнезитовые изделия – кирпич и специальные стаканы и пробки, предназначенные для разливки стали из сталеразливочных ковшей.
Сырьем для производства периклазовых огнеупоров является магнезит, состоящий в основном из карбоната магния.
Обожженные обычные
изделия имеют пористость около 25%, температуру начала деформации –
1550°С, прочность на сжатие – около 50
МПа. Периклазовые изделия на
шпинельной связке с пониженной пористостью отличаются высокой химической стойкостью и другими улучшенными эксплуатационными свойствами. Огнеупоры из смесей хромита и периклаза характеризуются высокой термостойкостью и химической стойкостью, пористость в зависимости
от дисперсности исходных компонентов колеблется в пределах 15-25%,
температура начала деформации существенно не повышается по сравнению с магнезитовыми огнеупорами и составляет 1450-1580°С. Магнезиальные (периклазовые) огнеупоры (без примесей) обладают низкой диэлектрической проницаемостью и электропроводностью.
В последние годы стали широко применять в качестве добавки к периклазовым огнеупорам углерод (периклазоуглеродистые огнеупоры), который позволяет существенно повысить стойкость огнеупоров к расплавам
металлов и шлаков.
32
Периклазоизвестковыми называют огнеупоры, изготовленные из
породы, главной составляющей которой является минерал доломит
CaMg(CО3)
Общее содержание примесей не превышает 5-6%.
2.
Доломитовые изделия, так же как и магнезитовые, бывают двух видов: доломитовые металлургические порошки, применяемые для заправки
подиц мартеновских печей с размером зерен от 4 до 20
нм, и доломитовые
изделия в виде кирпича – обожженные или безобжиговые.
Огнеупорность составляет 1770-1780°С, предел прочности при сжатии 1000-1300 кгс/см2, температура деформации под нагрузкой 2 кгс/см
2
1550-1700°С, объемная масса 2,8-2,9 г/см3.
Даже самые прочные и шлакоустойчивые обожженные огнеупоры не
могут эффективно работать в футеровке конвертеров при отсутствии в их
составе углерода, поэтому обожженные доломитовые изделия обязательно
пропитывают перед установкой в конвертер смолой или пеком.
Форстеритовыми называют огнеупорные изделия, в которых основными минералами являются форстерит (до 85%), периклаз и магнезиоферрит. Прочность на сжатие форстеритовых изделий составляет 25-30
МПа,
пористость 22-25%, температура начала деформации под нагрузкой
0,2
МПа не ниже 1550°С, огнеупорность не ниже 1750°С. Диэлектрическая
проницаемость форстерита 6,8-7,2.
Форстеритовые огнеупоры применяют для кладки насадок, стен
и сводов регенераторов и других частей нижнего строения мартеновских
печей.
Хромофорстеритовые изделия (с добавками хромита) отличаются
высокой термостойкостью. Очень перспективно применение в качестве
наполнителя электроплавленных магнезиально-силикатных материалов.
Огнеупоры, содержащие двуокись циркония, можно разделить на две
группы – циркониевые огнеупоры и цирконовые. Циркониевые огнеупоры,
состоящие преимущественно из двуокиси циркония (
ZrO
), изготавлива-
2
ются из минерала бадделеита или из циркониевой руды, содержащей
80-99%
ZrO
и до 20% примесей, окислов различных металлов. Двуокись
2
циркония может быть получена и искусственно путем химической переработки ее природных соединений.
Циркониевые изделия характеризуются высокой огнеупорностью
(около 2500°С), высокой термостойкостью (более 25 водяных теплосмен),
химической стойкостью к действию как кислых, так и основных шлаков.
Циркониевые огнеупоры применяют при изготовлении тиглей для плавки
цветных металлов.
Цирконовые огнеупоры изготавливаются из силиката циркония –
циркона (
ZrO2·SiO
). Основные свойства изделий из циркона – более высо-
2
кая, чем у циркониевых, температура размягчения под нагрузкой (1650°С)
и высокая термическая стойкость, огнеупорность 1900-2000°С.
33
Цирконосодержащие огнеупорные изделия обладают высокой проводимостью, которая увеличивается с ростом температуры. Эти огнеупоры
больше подходят для внешней теплоизоляции.
Углеродосодержащие огнеупоры имеют температуру плавления около 3700°С при давлении 10 МПа. При высоких температурах углерод химически инертен, не взаимодействует с основными и кислыми шлаками,
кислотами и щелочами, не деформируется под нагрузкой, прочность его
с повышением температуры повышается. Графит также характеризуется
термостойкостью, высокой теплопроводностью и электрической проводимостью.
Графитошамотные огнеупоры изготовляют из графита, шамота и огнеупорной пластичной глины. Химическая инертность, шлакоустойчивость, высокая теплопроводность и низкий ТКЛР графита придают изделиям повышенную термостойкость. Огнеупорная глина в процессе обжига
изделий создает защитную пленку на зернах графита и в известной мере
предохраняет его от выгорания. Графитошамотные изделия используют
лишь в условиях службы, предотвращающих или ограничивающих соприкосновение их с кислородом воздуха. Такими изделиями являются тигли
для плавки черных и цветных металлов в индукционных электропечах
и горнах, пробки и стаканы сталеразливочных ковшей, трубы, кирпич для
футеровки сталеразливочных ковшей.
Углеродистые огнеупоры в основном состоят из углерода в виде кок-
са (собственно углеродистые изделия – неграфитированные) и искусственного графита (графитированные).
Пористость углеродистых изделий составляет 15-20%, предел прочности при сжатии – 12-50
МПа, температура окисления – около 400°С.
Степень графитизации углеродистых (коксовых) изделий незначительна.
Основные характеристики некоторых видов керамики: удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, относительная диэлектрическая
проводимость отображены в табл. 1.23, 1.24, 1.25, 1.26, 1.27.
Таблица 1.24
Удельная теплоемкость некоторых видов керамики
Вид керамики
Корунд 0,54 0,78 0,92 1,16 1,25 1,32
Муллит – 0,76 0,88 1,16 1,26 1,32
Бромеллит 0,69 1,02 1,25 1,84 2,23 2,58
Периклаз 0,74 0,94 1,01 1,17 1,28 1,37
Бадделеит 0,38 0,45 0,51 0,59 0,64 0,6
Шпинель – 0,81 0,94 1,18 1,3 1,4
Циркон – 0,54 0,62 0,76 0,82 0,87
Нитрид алюминия – 0,8 0,86 1,17 1,57 –
Нитрид бора 0,58 0,78 1,02 1,59 1,95 2,14
Удельная теплоемкость (кДж/(кг·К)) при температуре (°С)
-50 25 100 500 1000 1500
34
Окончание табл. 1.24
Вид керамики
Удельная теплоемкость (кДж/(кг·К)) при температуре (°С)
-50 25 100 500 1000 1500
Нитрид кремния – 0,68 0,8 1,06 1,3 1,55
Карбид бора – 0,95 1,13 1,92 2,21 2,44
Карбид кремния 0,48 0,67 0,84 1,12 1,26 1,36
Диборид титана – 0,63 0,77 1,03 1,17 –
Диборид циркония – 0,43 0,5 0,61 0,67 0,71
Кордиерит – 0,78 0,89 1,12 1,3 –
Фарфор – 0,76 0,87 1,16 1,26 –
Таблица 1.25
Свойства керамики
Свойства
)
-1
с
2
, м
6
( 10
при 200 °С,
проводность
Основная
фаза керамики
)
)
3
(г/см
Плотность
(Дж/ (г·К))
Теплоемкость,
изгибе (МПа)
Прочность при
гости, (ГПа)
Модуль упру-
-1
, К
-6
ТКРЛ
(10
Коэффициент
200 °С,
Вт/(м·К)
ности при
Теплопровод-
Температуро-
Фарфор 2,6 0,95 80 100 6 1,9 0,8
Корунд 3,9 0,99 380 400 7,7 25 6,5
Периклаз 3,5 1,05 170 270 11,6 25 6,7
Нитрид кремния РС 2,4 086 200 250 2,6 12,5 1,4
Карбид кремния РС 3,1 0,88 300 400 4,5 100 37
Таблица 1.26
Коэффициент теплопроводности керамики
Коэффициент теплопроводности (Вт/(м·К)),
Вид керамики
при температуре (°С)
-50 25 100 500 1000 1500
Корунд 50 33 29 12 9 7
Бромеллит 500 300 220 70 18 14
Периклаз – 40-60 36-48 13-16 6-8 6-8
Шпинель – 15 13 8 5 –
Бадделеит – 1,7-2 1,7-2 1,7-2 1,7-2,2 1,8-3,3
Нитрид бора ГП – 33 31 30 27 12
Нитрид кремния ГП – 37-43 30 28 18 15
Нитрид алюминия – до 250 117 76 40 –
Карбид бора – 27 21 15 14 13
Карбид кремния ГП – 110 90 65 45 40
Стеатит – 6 – 3,7 – –
Фарфор – – – 0,65-0,8 0,7-0,8 –
Кордиерит – – 0,8 0,7 0,65 –
35
Таблица 1.27
Относительная диэлектрическая проводимость
некоторых видов керамики
Диапазон частот
Вид керамики
Нитрид бора 104-1010 4,5 Электронно-упругая
Оксид магния 104-1010 9,7 Ионно-упругая
Оксид
алюминия
Слюда 106-108 5,7-8 Ионно-упругая
Диоксид
титана
Титанат
кальция
Титанат бария 103-108 4000 Сегнетоэлектрическая
Стекло
кварцевое
электрического
поля (Гц)
104-1010 9,9 Ионно-упругая
104-107 110
106 150 Ионно-релаксационная
102-1010 3,8 Электронно-упругая
Относительная
диэлектрическая
проницаемость
Преобладающая
поляризация
Электронно-
релаксационная
36
2. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ФУТЕРОВОК ЭТУС
2.1. Тепловой расчет барабанной печи сопротивления
Тепловой расчет футеровки печи сопротивления представляет собой
решение следующего ряда задач.
1. Термический КПД (%).
Термический коэффициент полезного действия показывает, какая
часть потребляемого печью тепла расходуется полезно, т.е. на нагрев изделий:
т = (Ризд/Рпотр)·100 %.
Данные для вычислений берутся из приведенных выше таблиц.
2. Удельный расход энергий (
кВт·ч/кг).
Расход энергии методической печью на единицу веса изделия определяется по потребляемой мощности
печи
А(кг/ч)
Рпотр (кВт) и производительности
N = P/A.
Для печи периодического действия необходимо найти общий расход
энергии за цикл
Q(кВт/ч) и эту величину разделить на вес G(кг) изделий,
находящихся в печи
N = Q/G.
3. Время разогрева печи (ч).
Приближенно время разогрева печи можно найти путем деления количества тепла, аккумулированного печью, на установленную мощность
печи
= Qак/Руст.
Для многозонных печей, у которых рабочие температуры и мощности зон сильно отличаются друг от друга, время разогрева следует определять раздельно по зонам.
Эскиз печи.
Эскиз печи представляет собой упрощенный чертеж. На эскизе
должно быть показано все необходимое для расчета печи. Варианты эскизов представлены на рис. 2.1-2.3.
Так же на
эскизе показываются слои кладки печи с размерами и обозначением материалов (штриховкой), положение и размеры загрузочных
окон и дверей, положение загрузки в печи и расположение нагревателей,
указываются места подвода и выхода защитного газа.
Соблюдение масштаба не обязательно. В большинстве случаев до-
статочно дать две проекции печи в разрезе. В некоторых
случаях следует
дать эскизы отдельных частей печи.
Рекомендуется также показать границы расчетных участков печи
и дать необходимые поясняющие надписи.
37
Рис. 2.1. Эскиз печи сопротивления. Вариант I
38
Рис. 2.2. Эскиз печи сопротивления. Вариант II
Рис. 2.3. Эскиз печи сопротивления. Вариант III
2.2. Исходные данные для расчета футеровки
печи сопротивления
Конструкция печи –
Назначение печи –
Режим обработки в печи –
Температура (°С) –
Время (
ч) –
Размеры изделия (мм) –
Вес изделия (
Производительность печи (
Общий вес садки (
кг) –
кг/ч) –
кг) –
Размеры рабочего пространства (
Число тепловых зон –
Рабочая среда –
Температура вне печи (°С) –
Данные материалов
Наименование материала –
Объемный вес (
кг/м
3
) –
мм) –
39
Коэффициент линейного расширения (1/град) –
Удельная теплоемкость (
Температурный коэффициент теплопроводности (
Температурный коэффициент теплоемкости (
Коэффициент теплопроводности (
Коэффициент излучения (
кДж/(кг·град)) –
1/град) –
1/град) –
Вт/(м·град)) –
кДж/(м2·ч·град)) –
Нагрев изделий
Наименование изделий –
Материал –
Начальная температура (°С) –
Конечная температура (°С) –
Теплосодержание (
Вес (
кг) –
Аккумулированное тепло (
Время нагрева (
Тепловой поток (
Общий тепловой поток (
кДж/кг) –
кДж) –
час) –
кДж/ч) –
кДж/ч) –
Тепловые потери через кладку печей
Наименование части кладки –
Температура внутренней поверхности (°С) –
м
м
2
(°С) –
2
) –
) –
кДж/( м2·ч)) –
Температура наружной поверхности
Площадь внутренней поверхности (
Площадь наружной поверхности (
Толщина кладки (
м) –
Удельные потери с наружной поверхности (
Полные потери (
кДж/ч) –
Общие потери через кладку (кДж/ч) –
Тепловые потери через выступающие из печи части
Наименование выступающей части –
Максимальная температура поверхности (°С) –
Площадь поперечного сечения (
Диаметр поверхности (
Тепловые потери (
Общие тепловые потери (
м) –
кДж/ч) –
кДж/ч) –
м
2
) –
Тепловые потери через открытые отверстия печи
Наименование отверстия –
Площадь отверстия (
м
2
) –
Коэффициент диафрагмирования –
Тепловой поток излучением (
кДж/ч) –
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]