Конспект лекций по дисциплинеМЧМ

нагревателей, на специальных свечах, устанавливаемых около печи с соответст-

вующим “отсечением” их от горячего воздухопровода.

Воздухонагреватель отключают в случае перевода в горячий резерв или ремонта печи, т. е. воздухонагреватель изолируют от газовоздухопроводов и дымового борова с трубой.

Лекция №6 Огнеупорные материалы. Характеристика и их

свойства

1. Классификация и применение.

Огнеупорами называют материалы, изготовляемые на основе минерального сы-

рья и отличающиеся способностью сохранять без существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах.

Металлургическое производство потребляет основное количество огнеупоров

(60-70%). Огнеупорные материалы широко используют также в стекольной и цементной промышленностях, в областях новой техники – атомной и ракето-

строении.

Применяемые в промышленности огнеупоры делят на изделия, которым при из-

готовлении придается определенная форма (кирпичи, фасонные изделия, круп-

ные блоки) и неформованные материалы (бетоны, торкрет-массы, мертели).

В основу классификации огнеупорных изделий положено шесть основных при-

знаков:

1) по химико-минеральному составу изделия делят на:

∙кремнеземистые: динасовые (SO2 ³ 93); кварцевые (SO2 ³ 85);

∙алюмосиликатные: полукислые (SO2<85); шамотные (Al2O3 28-45); мулли-

токремнеземистые (Al2O3 45-62), муллитовые (Al2O3 62-72), муллитоко-

рундовые (Al2O3 72-90);

∙глиноземистые – корундовые (Al2O3>90);

21

∙магнезиальные-периклазовые (магнезитовые) (MgO³ 85);

∙магнезиальноизвестковые: известковопериклазовые (доломитовые) (MgO 10-50; СаО 45-85); периклазоизвестковые (магнезитодоломитовые) (MgO 35-75; СаО 15-40);

∙периклазохромитовые (MgO>60; Cr2O3 5-20); хромитопериклазовые (MgO 40-60; Cr2O3 15-35); хромитовые (MgO<40; Cr2O3>30);

∙углеродистые с огнеупорной основой С (углеродсодержащие, графитша-

мотные);

∙цирконовые с огнеупорной основой ZrO2 (цирконовые, циркониевые);

∙окисные с огнеупорной основой ВеО, Al2O3, TiO2 (корундовые, титановые,

гафниевые);

∙некислородные (нитридные, боридные, сульфидные).

Всоответствии с технической классификацией огнеупоры делят:

∙кислые (в составе преобладает SiO2);

∙нейтральные (содержат высокий процент С или Cr2O3);

∙основные (содержат СаО, MgO).

2)по огнеупорности все огнеупоры делят на:

∙огнеупорные (огнеупорность 1580-17700С);

∙высокоогнеупорные (огнеупорность 1770-20000С);

∙высшей огнеупорности (огнеупорность >20000С).

3)по пористости:

∙особоплотные (с открытой пористостью до 3%);

∙высокоплотные (3-10%);

∙плотные (10-16%);

∙уплотненные (16-20%);

∙среднепористые (20-30%);

∙повышеннопористые (30-45%);

∙легковесные (с общей пористостью 45-85%);

22

∙ультралегковесные (с общей пористостью >85%).

4)по способу формования:

∙пластичноформованные;

∙полусухого формования из масс малопластичных или из порошков с добавкой связующего материала, изготовленные путем механическо-

го, гидравлического или вибрационного прессования;

∙плавленые литые из расплава, получаемого обычно путем электро-

плавки;

∙литые, изготовленные путем литья из жидкого шликера в специаль-

ные формы (пеноизделия);

∙горячепрессованые;

∙волокнистые, полученные путем расщепления расплава струей ост-

рого перегретого пара.

5)по термической обработке:

∙обожженные, обжигаемые в печах в процессе изготовления изделий;

∙безобжиговые, не подвергавшиеся обжигу до употребления в кладку;

∙плавленые, подвергнутые отжигу после отливки;

∙горячепрессованные.

6)по форме и размерам различают:

∙простые изделия (прямые и клиновые нормальных, малых и больших форматов);

∙фасонные – простые, сложные, особо сложные и крупноблочные

(массой >60 кг);

∙специальные – промышленного и лабораторного назначения (тигли,

трубки, наконечники и т. п.).

Неформованные огнеупорные материалы классификации, установленной ГОС-

Том, не имеют.

2. Физические свойства огнеупорных материалов.

23

1) огнеупорность – свойство материала противостоять длительное время воз-

действию высоких температур, не теряя формы и не переходя в тестообразное состояние. Огнеупорность зависит от химического и минералогического состава материала, крупности частиц, наличия примесей, скорости нагрева образца и его параметров. Она характеризуется той температурой, при которой образец,

деформируясь при нагревании, верхним основанием коснется плиты, на кото-

рой он установлен. Температуру определяют по стандартному пироскопу, кото-

рый коснется своей вершиной плиты одновременно с испытуемым. Стандарт-

ные пироскопы имеют номера, умножением которых на 10 определяют темпе-

ратуру, т. е. огнеупорность данного пироскопа.

2) деформация под нагрузкой. Огнеупорные изделия в футеровке печей од-

новременно с нагревом подвергаются механической нагрузки. В зависимости от места использования огнеупора давление колеблется от 0,1 до 0,3 МПа. В нача-

ле нагрева образец несколько увеличивается по высоте, затем начинает давать усадку. Характерными считают две температуры: Тн. р. – температуру начала размягчения, соответствующую 4%-ному сжатию образца; Тк. р. – температуру конца размягчения, соответствующую 40%-ному сжатию образца. Чем ближе Тн. р. к огнеупорности изделия, тем, следовательно, лучше используются свойст-

ва исходного сырья, составляющего основу огнеупора, и тем выше качество ог-

неупора. Таким образом, деформация под нагрузкой является самым важным показателем, определяющим верхний температурный предел службы огнеупор-

ных изделий, и часто называется их строительной прочностью.

3) термостойкость – способность огнеупора выдерживать, не разрушаясь,

резкие колебания температуры. Измеряют термостойкость числом теплосмен,

которое выдерживает огнеупор при испытании (до потери в массе 20%). Разли-

чают водяные и воздушные (охлаждение нагретого образца на воздухе) тепло-

смены. Термостойкость изделий зависит от термического коэффициента линей-

ного расширения и модуля упругости огнеупорного материала.

24

4) пористость. Большинство огнеупорных материалов и изделий пористы.

Различают такие виды изделий:

∙открытую По или кажущуюся Пк – это такая пористость, при которой поры сообщаются с поверхностью огнеупора и при кипячении его в во-

де могут заполнятся водой;

∙закрытую Пз, при которой поры изолированы от окружающей среды;

∙общую или истинную Пи, при которой есть как закрытые, так и откры-

тые поры.

Пористость выражается процентным отношением объема пор к общему объему образца. Открытая пористость (кажущаяся) определяется насыщением водой исследуемого образца, путем его кипячения в течение 3 ч.: По= [(G2-G1)/V]*100,

где G1 – масса сухого образца, кг; G2 – масса образца, насыщенного водой, кг; V – объем образца, м3.

Вводя понятие «водопоглощения» определяют кажущуюся плотность. Водопо-

глощением (В) называется отношение массы поглощенной воды к массе сухого образца: В= [( G2-G1)/G1]*100.

Отношение открытой пористости к водопоглощению равно кажущейся плотности, кг/м3: ρкаж =По/В=G1/V. При определении истинной пористости Пи надо знать плотность материала ρ . Отношение кажущейся плотности ρкаж к истин-

ной плотности характеризует степень плотности изделия. Определив степень плотности изделия, можно найти его истинную пористость, %: Пи= (1-

ρкаж / ρ )*100. Закрытая пористость определяется, как разность истинной и от-

крытой пористости: Пз= Пи – По. Пористость огнеупорных изделий влияет на их теплопроводность, шлакоустойчивость и механическую прочность. Сквозная пористость оказывает большое влияние на газопроницаемость изделий.

5) газопроницаемость. Различают газопроницаемость отдельных изделий и газопроницаемость кладки, последняя определяется в основном состоянием швов. Характеристикой газопроницаемости изделий является коэффициент, оп-

ределяющий скорость фильтрации газов через сквозные поры. Выражение для

25

расчета коэффициента газопроницаемости, м2, выведено из уравнения Пуайзеля и имеет вид: К= μ Vl/S p, где V – расход воздуха, м3/с; l – высота образца, м; S

– площадь сечения образца, м2; p – разность давлений, Па; μ - динамический коэффициент вязкости воздуха при температуре 200С, Па*с. Газопроницаемость имеет большое значение при использовании огнеупора для футеровки вакуум-

ных печей, при работе с защитной атмосферой, при изготовлении муфелей,

труб рекуператоров и т. п.

6) электропроводность. При низких температурах большинство огнеупорных изделий является диэлектриками. При нагреве до температуры, при которой возможно образование жидкой фазы, они становятся проводниками электриче-

ского тока. Исключением являются углеродосодержащие огнеупоры, которые проводят ток при любой температуре. Проблема электропроводности приобрела особое значение при развитии электросталеплавильных печей, для которых электроизоляционные свойства огнеупоров особенно важны.

7) теплоемкость [с, Дж/(кг*К)] огнеупорных изделий зависит от их химиче-

ского и минералогического состава. Средняя теплоемкость различных огнеупо-

ров изменяется в пределах 0,84-0,96 кДж/(кг*К). С увеличением температуры огнеупора теплоемкость возрастает, но незначительно. Удельная теплоемкость влияет на скорость нагрева и охлаждения футеровки, а также на аккумуляцию тепла насадок регенеративных камер и футеровки печей периодического дейст-

вия.

Лекция №7 Система водяного и испарительного охлаждения

элементов металлургических печей

Многие элементы конструкции металлургических печей, работающие в зоне высоких температур имеют специальное охлаждение. Это предохраняет их от прогара, повышает стойкость кладки, поддерживает температуру в пределах не допускающих разрушение и износ материалов.

26

Охлаждение средой может быть воздух, вода или пароводяная смесь.

Воздушное охлаждение деталей применяется в случае, если плотность теплово-

го потока на стенку детали не превышает 2 кВт/м2. Этот способ применяется,

например, для охлаждения лещади доменной печи.

Наибольшее распространение имеют водяное проточное охлаждение и замкнутые системы испарительного охлаждения печей.

1. Водяное (проточное) охлаждение.

Водяное охлаждение обеспечивает интенсивный отвод тепла от детали или элемента печи. Детали печей, не защищенные футеровкой воспринимают тепловые потоки в среднем q=200–800 кВт/м2,а футерованные или покрытые гарнисажем от 5 до 150 кВт/м2. Особенностью водяного охлаждения является низкий допустимый уровень нагрева воды. При нагреве до 40–60 0С из воды происходит выпадение солей, образование шлама, накипи на стенке. Средний коэффициент теплопроводности накипи λ=0,3 Вт/(м*К). Это приводит к росту термического сопротивления стенки и повышению ее температуры. Поэтому воду нагревают только до 35–50 0С, что приводит к очень большим ее расходам.

Известно, что средняя расходная скорость воды для предотвращения оса-

ждения механических взвесей в деталей не должна быть меньше 0,8 м/с. для выбора минимальной скорости можно использовать эмпирическую формулу,

м/с

Wmin =10−2 ×q ×d0э,2

где q – плотность теплового потока, кВт/м2;

dэ – эквивалентный диаметр полости охлаждаемой детали, м.

Так для охлаждения рам и кессонов мартеновской печи минимальная ско-

рость для предотвращения местного кипения равна 2–5 м/с, для фурм и холо-

дильников доменной печи 0,5–3 м/с, для глиссажных труб методических печей

1–1,2 м/с.

27

В охлаждаемых деталях сложной конфигурации невозможно создать ус-

ловия, предотвращающие поверхностное кипение и образование накипи. Таким образом водяное не устраняет опасности прогара в местах накипи и прорыва воды.

Начиная с 1950 г на металлургических заводах стали переходить с водя-

ного охлаждения на испарительное.

2. Испарительное охлаждение.

При испарительном охлаждение используется в основном скрытая тепло-

та парообразования, которая отводится от охлаждаемой поверхности испаряю-

щейся водой.

Коэффициент теплоотдачи к кипящей воде от стенки значительно боль-

ше, чем к холодной воде.

Схема испарительного охлаждения является более прогрессивной и эко-

номически выгодной, несмотря на дополнительные затраты на химическую очистку воды. Она повсеместно вытесняет водяное проточное охлаждение, так как по сравнению с ним позволяет в 60–100 раз сократить расход воды и в 9–10

раз увеличить срок службы деталей. Схема испарительного охлаждения также дает возможность использовать тепло получаемого пара. Для испарительного охлаждения применяют химически очищенную катионированную воду, при ко-

торой исключается отложение накипи. Советские инженеры С. М. Андоньев и Г. Е. Крушель в 1946 г разработали систему испарительного охлаждения

(СИО).В ней вода превращается в пар и интенсивно отбирает тепло от стенок охлаждаемых элементов.

Рассмотрим принципиальную схему СИО.

1 – охлаждаемая деталь связана опускаемой 2 и подъёмной 3 трубами с барабаном–сепаратором 4 в замкнутый контур.

28

	4	Насыщенный пар
	Питательная вода
	9
	8	10
		2
	3
	7
	6
	5

Естественная циркуляция осуществляется в этом контуре благодаря раз-

ности плотности воды и пароводяной смеси, образующейся в детали. В системе с принудительной циркуляцией на опускаемое 2 трубе устанавливается цирку-

ляционный насос. Питательная химически очищенная вода из источника 5 идет по линии водоприемника 6; насосная станция 7; химическая водоочистка 8; на-

сосная станция 9. В системе испарительного охлаждения получают насыщен-

ный пар давлением 0,8 Мпа, в доменных печах , до 2,6 Мпа в мартеновских пе-

чах и до 4,5 Мпа в нагревательных печах. Если р<0,8, его применить трудно,

поэтому сейчас используют лишь 85 % пара СИО. Пар высокого давления ис-

пользуется в турбинах, а меньшего давления всеми службами завода. Испари-

тельным охлаждением оборудованы до 30 5 нагревательных печей, до 90 %

мартеновских, до 40 5 доменных печей.

Так как на испарение 1 кг воды затрачивается около 2260 кДж теплоты

(при атмосферном давлении), а на нагрев его до температуры кипения около

250–290 кДж, то каждый кг воды отбирает около 2510 кДж. В тоже время при водяном охлаждении 1 кг воды способен отобрать не более 40–45 кДж, так как нагрев технической воды во избежание выпадения солей и образование накипи не должен превышать 40 0С.

3. Применение системы испарительного охлаждения

29

Современная доменная печь теряет с охлаждающей водой в среднем до

120–170 кВт на 1 т выплавляемого чугуна. Потери тепла распределяются по зо-

нам доменной печи следующем образом: распар и заплечики – 67 %, фурменная зона – 28 %, горн и лещадь – 5 %.

В качестве охлаждающих элементов, которые устанавливают почти по всей высоте шахты печи и горна применяют холодильники. В каждой такой чу-

гунной плите залит змеевик из стальной трубки, для прохода охлаждающей па-

роводяной смеси.

Тепловой режим работы холодильников не стабилен во времени. Он зави-

сит от режима работы печи, периода кампании и места расположения холо-

дильника. Температура внутренней рабочей поверхности холодильников от 180

до 600 0С.

В конструкции фурменных холодильников предусматривают их работу как на испарительное охлаждение так и на возможность переключения их на охлаждение проточной водой.

Несмотря на переоборудование части мартеновских печей на ДСПА схе-

мы охлаждения остаются без существенных изменений. Все схемы испаритель-

ного охлаждения включая элементы печи находятся в наиболее тяжелых темпе-

ратурных условиях: кессоны газовых печей, фурмы и форсунки мазутных печей,

пятовые балки главного свода и пережимов, рамы и заслонки завалочных окон,

30