3 Шихтовые и футеровочные материалы и их характеристики

Сырье после его добычи перерабатывается, а в случае необходимости после предварительной подготовки используется в составе шихт. Шихты типичны для черной и цветной металлургии, коксохимии, производства цементов, варки стекла, технологий основной химии, которые по составу представляют смесь исходных и флюсующих материалов для наиболее полного извлечения ценных компонентов и получения качественного товарного продукта при наименьших затратах. Значительная часть компонентов шихты не переходит в товарный продукт и при переработке образует твердые, жидкие или газообразные отходы. Твердыми являются шлаки (металлургические, химические, топливные), золы, пыль; жидкие – различные фильтраты, сливы, стоки, осадки технологических туманов; газообразные – отходящие производственные газы.

Флюсы представляют собой добавки, необходимые для придания шихте требуемых технологических свойств (заданной температуры плавления, вязкости, других физических свойств), обеспечивающих наиболее полное и быстрое отделение полезных компонентов из шихты.

Технологические процессы протекают в агрегатах различных конструкций и форм, которые в ряде случаев достигают громадных размеров: до 250 м в длину (печи для обжига цементного клинкера), до 100 м в диаметре (сгуститель обогащения полезных ископаемых), до 100 м в высоту (грануляционные башни в производстве азотных удобрений). Внутренний объем технологических аппаратов может достигать нескольких десятков тысяч кубических метров, а их единичная мощность – нескольких миллионов тонн перерабатываемого сырья в год.

Они имеют широкие диапазоны давлений и температур, реализуемые в технологиях. Например, в процессах протекающих в вакууме, величина остаточного давления зачастую не превышает 0,1 Па, а при производстве азотной кислоты давление в автоклавах достигает 40 МПа. Разделение воздуха на азот и кислород осуществляют при температуре минус 190ºС, а некоторые металлургические процессы – при 2000ºС и более. Управляемый термоядерный синтез, требует для реализации уровня в 100 миллионов градусов.

Для сооружения технологических устройств используют различные конструкционные материалы: сталь, чугун, цветные металлы, бетон, кирпич. Их выбор обусловлен основными параметрами процесса (давлением, температурой, объемом и количеством реагирующих масс). Для увеличения срока службы конструкционных материалов и защиты их от непосредственного контакта с исходными и конечными продуктами технологических процессов, используют футеровку.

Футеровка, т.е. облицовка внутренней поверхности технологических агрегатов, изготавливается из материалов, обладающих специфическими свойствами, например из огнеупорных, химически стойких и теплоизоляционных.

При работе агрегатов при температуре до 1000ºС в качестве футеровки используют резину, пластмассы, смолы, теплостойкий кирпич, бетон, керамику, каменное литье.

Особую группу футеровочных материалов составляют огнеупоры, которыми называют строительные материалы, используемые для сооружения тепловых агрегатов и способные противостоять действию высоких температур, а также физическим и физико-химическим процессам протекающих в этих агрегатах.

Основные характеристики этих материалов – огнеупорность, химический состав, термостойкость, пористость и газопроницаемость, механическая стойкость и теплопроводность.

Огнеупорность выражает способность материалов выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь. По этому признаку изделия разделяют на три группы с температурой плавления 1580–1770ºС (нормальные), 1770–2000ºС (высокоогнеупорные) и более 2000ºС (высшая огнеупорность).

Химический состав огнеупоров должен соответствовать характеру протекающего в данном агрегате процесса и составу образующегося шлака – кислого или основного, иначе шлак взаимодействует с огнеупорами и быстро разъедает кладку. Кислыми шлаками (основность менее единицы) быстро разрушаются основные огнеупоры, а основными (СаО/SiO₂>1) – кислая кладка.

Термостойкость огнеупоров выражает их способность выдерживать резкие колебания температур без растрескивания и разрушения, которая измеряется числом водяных теплосмен, т.е. количеством раз возможного нагрева торцов кирпича до 850ºС и их охлаждения проточной водой до растрескивания изделия. Термостойкость динаса составляет 1–3, шамота 10–25, хромомагнезита 5–12.

Расход огнеупорных материалов зависит от вида процесса, например, при доменной плавке составляет 4 кг на 1 т чугуна, но может быть в несколько раз большим при получении одной тонны стали.

Условно-сравнительная стоимость огнеупорных изделий: динасовых – 1; шамотных, магнезитовых и хромомагнезитовых 0,9–1,3; высокоглиноземистых 1,8–3,1; графитовых – 5; цирконовых – 50.

Вопросы для самопроверки

1. Раскройте понятие "шихта" для различных технологических процессов.

2. В чем состоит назначение флюсов?

3. Приведите примеры промышленных агрегатов, имеющих огромные размеры в длину, высоту и в диаметре.

4. Укажите диапазоны давления и температуры, реализуемые в различных технологиях.

5. Какова роль футеровки технологических агрегатов?

6. Какие материалы используются в качестве футеровки?

7. Что такое огнеупоры? Назовите их основные характеристики.

8. Какие материалы используются в производстве огнеупорных изделий?