Огнеупоры и шлаки в металлургии

Залкинд И.Я.,Троянкин Ю.В.

Металлургиздат, 1964 г.

 Монолитные огнеупорныефутеровки и обмуровки

За последние годы большое развитие при строительстве тепловых агрегатов получило применение различных огнеупорных бетонов и набивных масс в виде так называемых монолитных: футеровок. Принципиальное различие монолитной футеровки orкирпичной кладки заключается в том, что в первой не образуется мертельных швов, скрепляющих отдельные кирпичи. Она представляет собой сплошную массу, состоящую из заполнителя того или иного фракционного состава и связки. У огнеупорных бетонов связкой являются гидравлически твердеющие цементы, а у набивных масс — огнеупорная глина, жидкое стекло или другой материал, приобретающий полную прочность лишь при нагреве.

В настоящее время существуют многочисленные составыогнеупорных бетонов и набивных масс, соответствующие различным физико-химическим показателям. В большинстве случаев: они дешевле огнеупорныхизделий и поэтому рекомендованы к: широкому внедрению в промышленность. Однако часто наблюдается недоучет ряда специфических недостатков этих материалов и желание сделать их универсальными. Это иногда приводит к отрицательным результатам, что дискредитирует их применение. Чтобы правильно оценить возможность применения той или иной массы, применяемой для футеровки, следует сопоставить общие недостатки и преимущества огнеупорных бетонов и масс по сравнению с огнеупорными изделиями.

Если сравнить показателиогнеупорныхизделий неблизких к ним по составуогнеупорныхмасс (огнеупорность, деформацию-под нагрузкой, плотность, шлакоустойчивость, постоянство объема и др.), то почти всегда изделия будут характеризоваться показателями, более высокими, чем массы.

Это объясняется тем, что изделия при формовке подвергают прессовому давлению, которое значительно выше, чем случайная набивкамассы при выполнении монолитной кладки. Специальный обжигизделий на заводах также осуществляют по определенному режиму и зачастую при более высоких; температурах, чем нагрев футеровки в тепловом агрегате, который носит несколько случайный характер. Добавляемая в массысвязка в большинстве случаев снижает огнеупорность материала.

Преимуществами применения огнеупорныхмасс по сравнению с огнеупорными изделиями являются:

а)более низкая стоимость их, обусловленная возможностью использования в качестве заполнителя бой отработанного кирпича и отсутствием при их изготовлении таких дорогих технологических процессов, как прессование и обжиг;

б)возможность выполнения сложных конфигураций и тонких слоев обмуровки, которые потребовали бы дорогих фасонных изделий, а в ряде случаев совсем не могли бы быть изготовлены из штучных изделий;

в)лучшая возможность механизации укладки масс и применение крупноблочных изделий типа жароупорного железобетона.

Из сказанного следует, что в том случае, если стойкостьфутеровки из огнеупорныхизделий недостаточна, то заменять ее какими-либо огнеупорными массами, без изменения конструкции футеровки, не следует. Добиться повышения стойкостифутеровки из огнеупорных набивных масс или бетонов при замене ими кирпичной кладки можно, если замена сопровождается конструктивными изменениями футеровки, позволяющими облегчить температурныеусловия их работы. В частности, применением различных огнеупорных бетонов и масс вместо огнеупорныхизделий удалось повысить стойкостьфутеровки охлаждаемых поверхностей тепловых агрегатов (закрытие экраноз котельных топок, охлаждаемые футеровки отдельных деталей мартеновской печи и др.).

Простая замена огнеупорной кладки огнеупорным бетоном без изменения конструкции футеровки в большинстве случаев нерациональна.

Монолитная футеровка отличается от кирпичной кладки тем, что в ней отсутствуют мертельные швы, которые, как было указано ранее, в известнойстепени снижают температурные напряжения в кладке. Сам же бетон, как материал более крупнозернистый, может характеризоваться несколько более высоким показателемтермостойкости (см. гл. II).

В целом температурные напряжения в бетонной кладке выше, чем в кирпичной. Поэтому расположение температурных швов должно быть в ней чаще, чем в кирпичной — примерно через 1—1,5м. Усадка, при нагреве также может вызвать появление трещин. В связи с этим напряжения на разрыв, возникающие в бетонных обмуровках, должны быть минимальными.

Широкое распространение получили огнеупорные бетоны с заполнителем из шамота и связкой из глиноземистого цемента (содержание А1₂Оз>40%), который, в отличие от портландцемента при нагреве, хотя и теряет несколько свою прочность, но не разрушается. Преимуществом глиноземистого цемента является также быстрое твердение, облегчающее ремонтные работы. Обычный строительный цемент (портланд-цемент) вследствие превращений содержащегося в нем двухкальциевого силиката (2CaO-Si02) разрушается уже при 400° С. При нагреве до более высоких температур и последующем охлаждении наступает разрушение портланд-цемента ©следствие гашения находящейся в ней свободной извести (СаО).

В настоящее время работами Научно-исследовательского института железобетона и других организаций [VI-7] найден целый ряд весьма доступных тонкомолотых добавок (кремнезем, шамот, глина, диатомит и др.), стабилизирующих состояние портланд-цемента при высоких температурах. Поэтому огнеупорные и жароупорные бетоны на связке из портланд-цемента также получили широкое распространение.

Другой связкой явилась смесь жидкого стекла с добавкой к нему 10% кремнефтористого натрия (Na₂SiFe). В огнеупорных набивных массахсвязкой являются огнеупорные глины, жидкое стекло, алюмофосфатные соединения и как временная связки при низких температурах некоторые органические   соединения.

В качестве заполнителя применяют почти все наиболее распространенные огнеупорныематериалы в виде щебня и порошков как специально приготовленные, так и полученные помолом боя отработавшего огнеупорного кирпича. Составы и свойстваогнеупорных бетонов приведены в табл. VI-2.

5.Основные конструктивные элементы футеровок

При рассмотрении конструктивных элементов, являющихся общими для различных тепловых агрегатов, следует установить связь конструкции с физико-химическими свойствамиогнеупоров и тепловыми условиямиработы футеровки.

К таким элементам относятся прежде всего своды, подины, стены, а также футеровки охлаждаемых деталей. Особое значение для показателейработы тепловых агрегатов имеют керамические теплообменники — регенераторы и рекуператоры.

В соответствии с многообразием технологических процессов, конструкций промышленных печей и других тепловых агрегатов для их футеровки применяют различные огнеупорные материалы.

Своды

Своды промышленных печей и других тепловых агрегатов подразделяют по форме на цилиндрические, купольные и плоские, а по способу крепления — на распорные, подвесные и распорно-подвесные.

Распорные своды. Наиболее простой и дешевой конструкцией является распорный   свод цилиндрической   или   купольной формы. В таком своде все элементы работают   в   основном на сжатие, возникающее под действием веса   свода.   Кроме нормальных сжимающих усилий, в своде возникают   срезывающие поперечные силы и изгибающий момент. Напряжение изгиба и среза относительно невелики, но существенно влияют на проч ность и плотность свода. Распорный свод обычно обеспечивает хорошую  газоплотность при работе, так как при усадке   огнеупорныхизделий он садится, а при расширении приподнимается В связи с такой деформацией в своде не накапливаются  боль шие термические напряжения.

Расчет даже холодного свода весьма затруднен, поскольку система бесшарнирная и является статически неопределимой как для цилиндрического, так и для купольного сводов. Напряжения, возникающие в пятах и замке цилиндрического свода в холодном состоянии, определяются приближенно по весьма элементарной методике Бюэлла или Нортона [VI-19, VI-20] или по более совершенной, но также приближенной методике Кубланова [VI-20]. Расчет горячего свода в настоящее время невозможен также вследствие появления трудно учитываемых полей пластических и температурныхдеформацийогнеупоров и неравномерного износа свода.

Пролет распорного цилиндрического свода ограничен возникающими в нем напряжениями сжатия и началом деформацииогнеупора под нагрузкой при высоких температурах. Поэтому для шамотапролетсвода обычно не превышает 2,5—3 м при умеренных температурах (например, в нагревательных печах), а для динаса он достигает 7—9 м при более высоких температурах.

Динас — весьма удачный огнеупор для выполнения распорного свода. Его объемнаямасса относительно невелика (~1,9 г/см³),а температура начала деформации под нагрузкой (t нд = 1620— 1730° С), что обусловлено прежде всего его «скелетной» структурой. При нагреве швы в своде не раскрываются, так как при низких температурах (до 600° С) коэффициент линейнего расширения велик, а три более высоких температурах до появления пластичности он остается практически неизменным. Поэтому в динасовом своде кирпичи прилегают один к другому и передают нагрузку по наибольшей поверхности, соответствующей ~²/₃ высоты кирпича.