Машиностроение и механика

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Металлургические печи: материалы печей, утилизация теплоты дымовых газов, система охлаждения - Теплотехнические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов

Article Index
Металлургические печи: материалы печей, утилизация теплоты дымовых газов, система охлаждения
Классификация огнеупоров и теплоизоляционных материалов
Теплотехнические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов
Теплотехнические характеристики теплоизоляционных материалов
Кладка печи. Конструкции сводов
Стены и свод печи
Теплотехнические принципы расчетов горелочных устройств
Факельное сжигание
Длина факела
Факторы, влияющие на длину факела. Калибр горелки
Устройства для сжигания газообразного и жидкого топлива
Форсунки для сжигания мазута
Новое поколение горелок
Утилизация теплоты дымовых газов
Вторичные материальные и энергетические ресурсы
Направления снижения удельного расхода топлива в печах
Система испарительного охлаждения печей
Водяное охлаждение
Испарительное охлаждение
Рекуператоры металлургических печей
Теплообмен и температурные поля в рекуператорах
Промышленные рекуператоры
Регенераторы металлургических печей
Конструкции регенераторов. Насадка регенераторов
All Pages

Теплотехнические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов


Теплотехнические характеристики огнеупорных материалов

Огнеупорность определяется как температура Тогн, при которой происходит деформация стандартного образца в форме усеченной пирамиды при отсутствии механического и физико-химического воздействия. Огнеупорные изделия подразделяют на три группы: средней огнеупорности (огнеупорные) – Тогн до 1770 °С; высокой огнеупорности (высокоогнеупорные) Тогн от 1770 °С до 2000 °С, высшей огнеупорности – Тогн – выше 2000 °С. Предельная рабочая температура службы огнеупоров в условиях эксплуатации Tmax значительно ниже, чем Тогн.

В таблице 1.1 приведены свойства наиболее широко используемых печных огнеупоров. Все огнеупоры характеризуются такими важными эксплуатационными показателями, как термостойкость, шлакоустойчивость, строительная прочность, изменение объема при нагреве, которые определяют их применение для строительства элементов печей.

Термостойкостью называют способность огнеупоров выдерживать циклическое изменение температур при нагреве и охлаждении, так называемые теплосмены. Термостойкость характеризуют числом теплосмен до потери 20% первоначальной массы огнеупора в результате образования трещин и скалывания.

Шлакоустойчивость характеризует способность огнеупора выдерживать воздействие жидкого шлака и металла, окалины, газов.

Рассмотрим характеристики и область применения некоторых печных огнеупоров.

Динас содержит более 93% SiO2 и относится к кремнеземистым, кислым огнеупорам. Обладает высокой строительной прочностью, высокой температурой начала деформации под нагрузкой и соответственно рабочей температурой службы 1650–1700 °С. Устойчив к воздействию кислых расплавов и газовых сред, но не выдерживает контакта с основными расплавами металлов и их оксидов. Термостойкость динаса по стандартной методике не превышает 1-2 водяных теплосмен. Однако, если колебания температуры происходят в области значений выше 300 °С и особенно выше 600 °С, то термостойкость динаса исключительно высока.

Динас широко применяют для изготовления высокотемпературной части насадки доменных воздухонагревателей и регенераторов нагревательных колодцев, которая не охлаждается ниже 600 °С, для кладки распорных сводов.

Таблица 1.1 – Свойства огнеупоров, наиболее широко используемых в печах


Группа огнеупоров

Главные хим. компоненты в % (мас.)

Тогн, °С

Tmax, °С

Плотность – r, т/м3

Коэф. теплопроводности – l, Вт/(м×К) при 100 °С

Уд. теплоемкость – с, кДж/(кг×К) при 100 °С

1

Динасовые

SiO2³93

1690-1720

1650-1700

1,84-1,97

1,3

0,86

2

Шамотные

30£Al2O3£45

1580-1750

1200-1400

1,83-1,95

0,9

0,9

3

Муллитовые

62£Al2O3£72

1600-1800

1600-1650

2,34-2,52

1,2

0,86

4

Корундовые

Al2O3>90

1950-2000

1650-1800

2,89-3,12

2,1

0,83

5

Смолодоломитовые

5010

1800-1900

1300-1400

2,7-2,8

3,4

0,96 при 1000°С

6

Периклазовые (магнезитовые)

MgO³85

2200-2400

1650-1700

2,6-2,8

4,5

1,08

7

Периклазохромитовые

MgO³60
5£Cr2O3£20

2000

1650-1700

2,95-3,04

2,5

1,0

8

Хромитопериклазовые

40£MgO£60
152O3<35

1920-2000

1700

2,9-3,15

2,0

1,8 ¸ 1,15
(20-1000°С)

9

Цирконовые

ZrO2>50,
SiO2>25

2000-2300

1900-2000

3,48-3,83

1,4

0,64

10

Карбидкремниевые

SiC>70

2000

1800-2000

2,35-2,54

9,3 при 1000°С

0,97

Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% Al2O3. Обладает более высокой термостойкостью (10-20 водяных теплосмен), но низкой шлакоустойчивостью. Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 °С для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки. Не выдерживает истирающего действия при высоких температурах.

Муллит и корунд относятся к высокоглиноземистым алюмосиликатным огнеупорам. По мере увеличения содержания Al2O3 повышается их рабочая температура службы, прочность и постоянство объема при разогреве. Термостойкость превышает 150 водяных теплосмен. Применяются вместо шамота в условиях более высоких температур: муллит – до 1650 °С, корунд – до 1800 °С. Плавленые корундовые изделия обладают высокой шлакоустойчивостью и выдерживают давление и истирающее действие металла и шихты. Применяются в установках внепечной обработки стали, в монолитных подинах методических нагревательных печей, в качестве насадки шариковых регенераторов.

Периклаз (или магнезит) содержит не менее 85% MgO. Температура начала размягчения под нагрузкой значительно ниже огнеупорности. Максимальная рабочая температура 1700 °С. Термостойкость изделий невысока и составляет 1-2 водяных теплосмены.

Шлакоустойчивость по отношению. к основным расплавам – металлам и шлакам, богатым оксидами металлов и известью, исключительно высока. Поэтому магнезитовые кирпичи используются для кладки элементов печей черной и цветной металлургии, которые контактируют с расплавами металлов и основных шлаков. Магнезитовый порошок используют для заполнения швов при кладке подин плавильных печей.

Периклазохромитовые и хромитопериклазовые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и хромит Cr2O3. Свойства этих огнеупоров существенно отличаются от периклазовых и зависят от соотношения хромита и магнезита. Максимальная термостойкость соответствует отношению Cr2O3:MgO = 30:70. Шлакоустойчивость выше при содержании хромита 20 %. В сводах сталеплавильных печей наибольшую стойкость имеют изделия с содержанием хромита 20-30 %. Они изнашиваются из-за образования трещин и сколов, к которым приводят термические напряжения, возникающие при колебании температуры в рабочем пространстве печи.

Смолодоломитовые безобжиговые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и СаО, а также углерод в виде смоляной связки в количестве 2-4 %. Они применяются для футеровки конвертеров. Известь СаО взаимодействует с силикатами конвертерного шлака, благодаря чему на поверхности футеровки образуется гарниссаж, препятствующий проникновению шлака в футеровку.

Углеродистые огнеупоры изготавливаются из доступного сырья – графита, кокса – с высокой температурой плавления ³ 3500 °С. Они не смачиваются расплавами и поэтому устойчивы против них, имеют высокую термостойкость, но начинают окисляться в продуктах горения топлива при температуре ³ 600 °С. Поэтому их используют для службы в восстановительной среде: в электрических печах для производства ферросплавов, алюминия, свинца, в лещади доменных печей, в качестве припаса для разливки металлов, для изготовления электродов дуговых плавильных печей.

Карбидкремниевые огнеупоры содержат в качестве главного компонента SiC – карборунд. Они покрыты защитной плёнкой SiO2, поэтому не окисляются как углеродистые. Имеют высокую прочность, износоустойчивость, термостойкость. Устойчивы против нейтральных и кислых расплавов, нестойки против основных. Применяются для изготовления трубок керамических рекуператоров, огнеупорных муфелей.

Неформованные огнеупоры применяют для изготовления монолитных футеровок из огнеупорного бетона и набивных масс. Огнеупорный бетон представляет собой смесь огнеупорного наполнителя (бой огнеупорных изделий) с размером частиц от 0,5 до 70 мм, вяжущего и добавок. В качестве вяжущего используют твердеющие в холодном состоянии огнеупорные цементы (глиноземистый, магнезиальный), жидкое стекло, фосфатные связки на основе ортофосфорной кислоты Н3РО4. Добавки могут регулировать скорость схватывания и твердения, улучшать пластические свойства, уменьшать усадку.

Широко распространены динасовые бетонные блоки и панели для стен нагревательных колодцев, глинистокварцитовые массы для набивной футеровки ковшей. Применяют монолитную футеровку стен и сводов нагревательных печей из жидкого (литого) бетона с креплением её к металлическому каркасу печи с помощью анкерных кирпичей, распределенных по площади стен и свода.

Защитные гарниссажи образуются на рабочей поверхности ограждения плавильных, шахтных и дуговых печей из спекающихся или расплавленных материалов при интенсивном охлаждении стен печи водой или воздухом. В плавильных печах цветной металлургии гарниссаж является эффективным средством защиты, а иногда и замены футеровки.