CC BY
37УДК 666.76
Валентина ХЕССЕ, менеджер по исследованиям и развитию, фирма «БУРТОН» (BURTON, Германия)
Факторы, влияющие на срок службы огнеупорных материалов при производстве строительного кирпича и клинкера
Преждевременный выход из строя огнеупорных материалов тепловых агрегатов и установок влечет существенные затраты, связанные не только с восстановлением и заменой поврежденных огнеупоров, но также с незапланированными остановками на ремонт, простоями, энергетическими потерями. Долговечность и экономичность печного оборудования в значительной степени зависят от выбора огнеупорных материалов, их качества и правильных конструктивных решений. Печестроители, производители огнеупорных материалов и систем и инженеры-производственники понимают эту взаимосвязь и последствия этих решений.
До недавнего времени выбор огнеупорных материалов и конструкций чаще всего проводили эмпирически, так как из-за отсутствия надежных данных исследований трудно было применить на практике теоретические зависимости, описывающие реальные нелинейные процессы. Из-за этого даже на сравнительно новых заводах встречаются случаи преждевременного отказа огнеупорных материалов. И так как их замена становится все более дорогостоящей, очень важно выяснить причины их выхода из строя.
Часто причиной выхода из строя называют недостаточное качество огнеупоров, что нельзя считать однозначно правильным подходом, так как разрушение огнеупорных камней может быть лишь следствием причин, находящихся намного глубже, и простая замена камней не приведет к желаемому увеличению долговечности, а только увеличит затраты производителей кирпича.
Основные причины выхода из строя огнеупорных материалов
1. Качество самого материала.
2. Неправильный выбор качества/сорта огнеупорного материала в соответствии с технологией.
3. Неоптимальное конструктивное решение печи и/ или туннельной вагонетки.
4. Некорректное возведение печи и/или изготовление туннельных вагонеток.
5. Отклонения или нарушения в самом производственном процессе изготовления кирпича, клинкера или керамической черепицы.
Суть заключается в том, что по той или иной причине превышается предел механической или термической прочности применяемого материала. Способность огнеупорного материала компенсировать предельные механические и термические нагрузки, противостоять распространению микротрещин и деформации под нагрузкой определяют срок их службы.
С постоянным техническим развитием тепловых агрегатов, а также с растущими требованиями к обжигаемым продуктам растут нагрузки на огнеупорные материалы и системы и соответственно требования к ним.
К факторам, повышающим нагрузку на огнеупорные материалы, можно отнести:
— скоростной обжиг, внедрение энергосберегающих решений, применение альтернативных видов топлива;
— достижение различных декоративных поверхностных эффектов путем добавления различных солей и/или применения восстановительной среды при обжиге;
— применение глинистого сырья с повышенным содержанием щелочных оксидов.
Все это требует повышения прочности и устойчивости огнеупорных материалов к коррозии и превышению первоначально заложенной температуры обжига. Особенно при модернизации старых кирпичных заводов необходимо предусмотреть все возможные изменения условий производства и технологии, которые каждый в отдельности и в сумме могут сильно повлиять на изменение прочностных показателей огнеупорных изделий и их срок службы.
Повышение температуры обжига, ввод шокового охлаждения, применение восстановительной среды и солей, высокое содержание оксидов №2О, К20 в исходном сырье и топливе и соответственно в атмосфере печи, высокое содержание SOз/SO2 в применяемом топливе, неоптимальное направление пламени горелок по отношению к расположению стоек и возможное скопление тепла под посадочными плитами являются важными факторами, определяющими условия выбора качества огнеупоров.
Одновременно производители огнеупорных материалов столкнулись с требованиями снижения массы огнеупорных изделий и огнеупорных систем в целом, что, в свою очередь, определяет существенное снижение расхода энергии в керамическом производстве. Достигнуть поставленной задачи можно посредством уменьшения толщины стенок изделий и снижения средней плотности материала. Однако указанные действия могут также привести и к нежелательным последствиям:
— снижение толщины стенок изделий приводит к желаемому снижению массы конструкции и одновременно может привести к снижению прочности под нагрузкой, нарушению стабильности конструкции;
— снижение средней плотности непосредственно связано с увеличением пористости материала, что, в свою очередь, может повысить чувствительность к агрессивным, коррозионным веществам и газам. Для достижения желаемой экономии энергии и во
избежание снижения механической и термической прочности изделий необходим детальный анализ технологических особенностей и новых решений конкретного производства при выборе сортов применяемых огнеупорных материалов.
Некоторые возможные условия и влияния на огнеупорные блоки и системы в туннельной печи (стены, свод):
— кислотоустойчивость в зоне нагрева;
— устойчивость материала к СО в зоне обжига и при применении восстановительной среды;
— устойчивость материала к соединениям щелочных оксидов при высоком содержании №2О, К2О в сырье и соответственно в атмосфере печи.
34
научно-технический и производственный журнал
июль 2011
iA ®
При наличии в атмосфере печи солей NaCl, KCl, Na2SO4, K2SO4 и дополнительном наличии SO3 / SO2 происходит отложение щелочных соединений в виде конденсата в порах огнеупорного материала, что само по себе не приводит к разрушению. Однако повышение температуры в печи приводит к дополнительным термическим напряжениям внутри материала и к образованию трещин.
Прочность на растяжение, а также устойчивость огнеупорных материалов к теплосменам (термостойкость) из-за присутствия соединений щелочных оксидов в порах изменяется, наблюдаются разрушение материала, повышение его хрупкости и шелушение. Агресивные газы и пары могут диффундировать все глубже до полного разрушения огнеупорного материала.
Образование новых минералов, например лейцита, приводит, как известно, к значительному росту объема. В таких случаях решением может служить увеличение толщины и средней плотности футеровочных материалов и/или оптимизация структуры и дальнейшее совершенствование огнеупорных материалов, более устойчивых к агрессивной щелочной среде.
Для печных вагонеток, где наряду с малой массой требуется высокая механическая прочность, оправдалось применение легковесных блоков больших форматов, изготовленных на основе кордиерита.
Колебания температуры в зоне обжига, величина которых зависит от вида и конструкции печи и по-разному проявляется на разных предприятиях, могут привести к размягчению материала и деформации под нагрузкой, если не были предусмотрены определенные резервы прочности и точки размягчения выбранного сорта огнеупорного продукта.
Не только конструкция отдельных форматов и систем огнеупоров, но и общая конструкция вагонеток влияет также на срок их службы.
Как уже было сказано, при новом строительстве или при реконструкции печи выбор конструкционных решений идет одновременно с выбором наиболее подходящих для конкретных условий огнеупорных материалов.
Качество огнеупорного материала в значительной степени характеризуется его химическим составом, например содержанием Al2O3, MgO, Fe2O3 и т. д. На свойства огнеупоров большое влияние оказывает минералогический состав, содержание муллита, кордиерита, андалузита и других минералов. Важно также знать, каким путем происходило образование минералов.
Например, путем добавления в сырьевую массу предварительно синтезированного кордиерита или путем его синтеза во время обжига огнеупорного материала; в какой степени удалось введенные оксиды перевести в нужный минерал.
Кордиеритовые изделия с образовавшимся во время обжига кордиеритом показывают большую прочность при изгибе по сравнению с другими материалами при одинаковом коэффициенте теплового расширения.
При одинаковом содержании, например Al2O3, важно предусмотреть все технологические нагрузки на огнеупорный материал, так как его свойства также сильно зависят от того, из каких сырьевых компонентов этот материал был изготовлен — на базе андалузитового сырья или на базе шамотов. Андалузитовые огнеупоры намного устойчивее и стабильнее.
Аналогичные явления наблюдаются при изучении внутренней структуры огнеупоров. Например, с помощью определенных технологических приемов возможно достичь изменения общей пористости и структуры пор, что, в свою очередь, влияет на термостойкость и устойчивость к коррозии. При введении в состав сырьевой огнеупорной массы легковесных огнеупорных сфер
Пример туннельной вагонетки больших размеров.
Сорт свода печи: Burton S 60 HD. Стены печи: Burton S 60 T на базе
андалузита, устойчивый против соединений щелочных оксидов
возможно создание легких огнеупорных материалов с более низкой общей пористостью, что делает материал намного стабильнее и повышает устойчивость в агрессивной среде.
Постоянное совершенствование смесительного и формовочного оборудования в последние десятилетия позволило перейти к созданию и серийному выпуску огнеупоров с заранее заданными свойствами.
Вывод
Для достижения долгого срока службы, а также для безотказной эксплуатации огнеупорных футеровок печей и вагонеток в керамической промышленности решающим фактором является тесное сотрудничество между производителями керамических изделий, производителями огнеупорных материалов и систем и пече-строителями.
В той степени, в которой будут предусмотрены индивидуальные технологические особенности и условия каждого завода, будет и достигнуто оптимальное равновесие между сроком службы и прочностью огнеупорного материала и систем, расходом энергии и экономичностью эксплуатации и ремонта.
Благодаря применению наиболее соответствующих сырьевых компонентов, а также оптимизации подготовки масс некоторым производителям огнеупорных материалов удалось изготовить материалы, которые при одинаковом химическом составе показали улучшенные свойства в сравнении с похожими продуктами конкурентов.
Посколько технические и технологические условия на каждом заводе разные, на практике лучше всего оправдывают себя индивидуальные решения по сравнению со стандартными.
С вопросами обращайтесь к нашим представителям в Москве или непосредственно к сотрудникам фирмы БУРТОН :
Фирма Цез Реф, Москва:
Галина Савельева Тел: 007 499 978 28 47 Фирма Буртон, Мелле / Германия:
Мартом Варга Генерельный директор Валентина Хессе Руководитель по научным Исследованиям и развитию Тел: 0049 5427 81 136 Алла Маркина Техническое бюро
Тел: 0049 5427 81 107
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2011
35
