CC BY
36
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОИ СПОСОБНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ СОСТАВОВ ОГНЕУПОРНЫХ РЕЦЕПТУР, ПРИНАДЛЕЖАЩИХ СИСТЕМАМ AhO3-SiO2 И MgO-С^
В.М. ТАЙМАРОВ, М.А. ТАЙМАРОВ Казанский государственный энергетический университет
Получены экспериментальные данные по интегральной излучательной способности алюмосиликатных и магнезитохромитовых огнеупоров в соответствии с их диаграммами состояния при нагреве на воздухе в диапазоне температур 600... 2000 °С.
В настоящее время в теплоэнергетике интенсивно происходит поиск новых способов снижения удельного расхода топлива при производстве единицы продукции. Одним из направлений уменьшения расхода топлива является интенсификация радиационного теплообмена в топках и печах. Для решения этой задачи необходимы новые огнеупорные рецептуры с высокой излучательной способностью. В научной и специальной литературе данных по излучательной способности для широкой номенклатуры марок огнеупоров очень мало. Поэтому в настоящей работе поставлена цель получить новые экспериментальные результаты по интегральной излучательной способности огнеупоров в широком диапазоне температур для разработки химических рецептур наиболее перспективных огнеупоров, которые могут быть использованы для оптимизации радиационного теплообмена в топках и печах. Для достижения поставленной цели в работе был произведен обзор публикаций и специальной литературы по химическим составам огнеупоров, излучательной способности чистых тугоплавких оксидов и соединений и разработана экспериментальная установка.
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1 [1]. Установка состоит из трубчатой печи, электронагрев которой производится нихромовой спиралью 2. На срезе печи в специальном держателе устанавливается исследуемый образец огнеупора 1. Тепловое излучение от нагретого образца 1 с помощью флюоритовой линзы 6 фокусируется на приемнике излучения 7, сигнал с которого подается на цифровой милливольтметр 8. При высоких температурах в области 2000 К нагрев дополнительно проводился при помощи газовой горелки. Температура излучающей поверхности образца измерялась хромель-алюмелевой термопарой, а в области высоких температур - вольфрам-рениевой термопарой. ВР-5/20. Градуировка приемника излучения осуществлялась по той же трубчатой модели абсолютно черного тела при снятом образце 1. Диапазон спектрального пропускания материала линзы -флюорита составляет от 0,2 мкм до 13 мкм, что охватывает весь спектр теплового излучения огнеупоров. Систематическая погрешность экспериментов составляла ±4,1 %. Наибольшая составляющая этой
погрешности связана с измерением температуры образца.
Интегральная излучательная способность огнеупоров б определялась
как
£ = £эфф.ачт ' (е — Еокр)/(Еачт — Еокр), (1)
© В.М. Таймаров, М.А. Таймаров
Проблемы энергетики, 2008, № 11-12
где £эфф.ачт =0,98 - эффективная степень черноты излучающей полости
используемого абсолютно черного тела; Е, Еачт - плотности излучения образца огнеупора и абсолютно черного тела при одинаковых температурах; Еокр - плотность излучения окружающего фона.
Наименование и химический состав исследованных огнеупорных материалов приведены в табл. 1 и 2. Сведения о химическом составе огнеупорных рецептур взяты по результатам испытаний в ЦЗЛ предприятий -изготовителей огнеупоров. Шероховатость образцов измерена на двойном микроскопе МИС-11. В качестве параметров для описания шероховатости поверхности образцов взяты: Яа - среднеарифметическое отклонение
неровностей профиля (мкм) и Бт - средний шаг неровностей профиля (мм).
В табл. 3 и 4 приведены полученные в настоящей работе данные по излучательной способности шамотных, периклазохромитовых и хромопериклазовых огнеупоров. В этих же табл. 3, 4 приведены известные экспериментальные данные по излучательной способности огнеупоров, полученные другими авторами [3, 4].
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения интегральной излучательной способности огнеупоров при нагреве образцов в области температур 600...2000 К: 1 - образец огнеупора; 2 - спираль электронагрева трубчатой печи; 3 - автотрансформатор типа ЛАТР; 4 -подача пропана; 5 - подача кислорода; 6 - флюоритовая линза; 7 - приемник излучения (термостолбик); 8, 10 - регистрирующий вторичный прибор (цифровой милливольтметр);
9 - термопара
Исходные характеристики исследованных образцов шамотных огнеупоров
№ п/п Наименование огнеупора (ГОСТ или ТУ) Содержание компонентов (% по массе), Ка (мкм), 8ш (мм) Место отбора образца (условное сокращение)
1 Шамот 8Ю2=55; А1203=40; Ге203 = 1,9; МйО=1; Са0=0,4; Боровичевский огнеупорный комбинат (БОК)
2 Шамот ШБ А1203 =28; Ка = 13, 8ш = 0,56 Красногоровский огнеупорный завод (КОЗ)
3 Шамот ШБ-6 (ГОСТ 390-83) А1203=31,86; Ка = 30, 8ш = 2,82 Казанская ТЭЦ-1 (КТЭЦ-1)
4 Шамот 40-30 (ГОСТ 15635-70) А1203=35; Ка = 22, 8ш = 0,76 Семилукский огнеупорный завод (СОЗ)
5 Глина огнеупорная А1203+ТЮ2 = 35 %; Ге203 = 1,3 ; Ка=5; 8ш=0,31 Часово-Ярское месторождение (ЧЯ)
6 Шамот ШАВ (ГОСТ 3272-71) А1203=36; Ка = 17, 8ш = 0,7 Казанский компрессорный завод (ККЗ)
7 Шамот ШБ-2 А1203+ТЮ2 = 30,9; Ка=13; 8ш=0,56 Казанская ТЭЦ-2 (КТЭЦ-2)
8 Шамот ПШКБ (ГОСТ 390-54 ) А1203=35; Ка=22; 8ш=0,91 Семилукский огнеупорный завод
9 Шамот ША (ГОСТ 8691-73) А1203=30; Ка = 6, 8ш = 0,3 Всесоюзный институт огнеупоров (ВИО0
10 Алюмосиликат (ГОСТ 11586-69) А1203 =28; Ка = 22, 8ш = 1,08 Запорожский огнеупорный завод (ЗОЗ)
11 Торкрет (ГОСТ 969-41) Шамот молотый ПШКБ =70 %; Глина огнеупорная =15%; Цемент глинозёмистый М400 = 15 %; Ка=16; 8ш=0,54 Казанская ТЭЦ-2
Таблица 2
Исходные характеристики исследованных образцов периклазохромитовых и хромопериклазовых огнеупоров
№ п/п Наименование огнеупора (ГОСТ или ТУ) Содержание компонентов (% по массе), плотность р (г/см3), Ка (мкм), 8ш (мм) Место отбора образца (условное сокращение)
1 Периклаз ПХС М§0=70; Сг203=10; Ка = 14, 8ш = 0,36 Запорожский огнеупорный завод (ЗОЗ)
2 Хромопериклаз ХМ М§0=46; Сг203=22; 8Ю2 = 6; р =2,95; Ка = 13, 8ш = 0,38
3 Хромопериклаз ХПКК М§0=55; Сг203=19; Ка = 20, 8ш = 0,39
Таблица 3
Интегральная излучательная способность шамотных огнеупоров е в зависимости от температуры Т, К. [3] - данные Мастрюкова Б. С. [4] - данные Блоха А.Г.
Марка огнеупора є при температуре Т, К
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Шамот ШБ (КОЗ) 0,91 0,75 0,66 0,61 0,59 0,58 0,57 0,56
Алюмосиликат (ЗОЗ) 0,89 0,78 0,66 0,61 0,57 0,55 0,54 0,53
Шамот (БОК) 0,86 0,71 0,63 0,58 0,56 0,50 0,47 0,45
Шамот 40-30 (СОЗ) 0,85 0,74 0,63 0,57 0,50 0,47 0,44 0,41
Шамот ШАВ (ККЗ) 0,84 0,76 0,72 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66
Шамот ШБ-6 (КТЭЦ-1) 0,80 0,73 0,65 0,60 0,56 0,54 0,53 0,52
Шамот ШБ-2 (КТЭЦ-2) - 0,80 0,68 0,65 0,63 - - -
Шамот ПШКБ (СОЗ) - 0,79 0,67 0,66 0,59 0,56 - -
Торкрет (КТЭЦ-2) - 0,75 0,66 0,63 0,61 - - -
Глина огнеупорная (Ч.Я) - 0,71 0,68 0,66 0,64 - - -
Шамот ША (ВИО) 0,75 0,66 0,60 0,56 0,54 0,53 0,52 0,51
Шамот ША-3 [3] - - 0,61 0,56 0,52 0,51 - -
Шамот ШБ [4] - 0,70 0,60 0,50 0,42 - - -
Таблица 4
Интегральная излучательная способность периклазохромитовых и хромопериклазовых огнеупоров є в зависимости от температуры Т, К
Марка огнеупора є при температуре Т, К
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Хромопериклаз ХМ (ЗОЗ) 0,88 0,86 0,83 0,81 0,78 0,76 0,74 0,72
Хромопериклаз ХПКК(ЗОЗ) 0,86 0,82 0,72 0,75 0,73 0,71 0,70 0,69
Периклаз ПХС (ЗОЗ) 0,84 0,79 0,74 0,70 0,67 0,64 0,63 0,62
Хромопериклаз [4] - - - 0,77 0,77 0,78 0,78 -
Периклазохромит ПХМ-1[3] - - 0,85 0,81 0,81 0,81 - -
Примечание. [4] - данные Блоха А.Г. для хромитопериклаза (химический состав: Mg0 = 43,1 %; Сг2О3 = 21,2 %; Ге203 = 19,8 %; 8Ю2=12,5 %); [3] - данные Мастрюкова Б.С. для периклазохромита ПХМ-1 (химический состав: Мц0 >55 %; Сг2О3 >8 %)
Видно, что интегральная излучательная способность шамотных огнеупоров с ростом температуры нагрева на воздухе существенно снижается (табл. 3). Такая же закономерность в зависимости от температуры имеет место для излучательной способности магнезитохромитовых огнеупоров (табл. 4).
Влияния на излучательную способность огнеупоров е параметров шероховатости поверхности образцов: Яа - среднеарифметического отклонения неровностей профиля (мкм) и Бт - среднего шага неровностей профиля (мм) обнаружить не удалось.
Сравнивая полученные данные по излучательной способности шамотных огнеупоров (табл. 3) с данными для чистых оксидов 8Ю2 и А1203 (табл. 5), следует отметить, что шамотные огнеупоры имеют при 1000 К излучательную способность в среднем на 16 % выше, чем чистые оксиды 8Ю2 и А1203.
Таблица 5
Значения интегральной излучательной способности чистых оксидов (для стекол и кристаллов) и карбида кремния по данным других авторов
Наименование оксида и вид образца Температура, К
300 500 700 1000 1500 2000
Диоксид кремния 8Ю2: -стекло (толщина 10 мм) [4] 0,80 0,75 0,60 0,48
-чистый оксид (порошок) [4] - - 0,68 0,56 0,40 -
Оксид алюминия А1203: спеченный порошок [4] 0,85 0,75 0,65 0,51 0,41
Оксид магния Mg0: спеченный порошок [4] 0,72 0,67 0,55 0,42 0,29 0,36
Оксид магния Mg0 [3] - 0,60 0,35 0,21 - -
Оксид кальция СаО: спеченный порошок [4] 0,27
Оксид железа Ге203: спеченный порошок [4] 0,80
Карбид кремния 81С: шлифованная поверхность [4] 0,88 0,89 0,88 0,90
Оксид хрома Сг2О3 [3] - 0,79 0,79 0,80 - -
Магнезитохромитовые огнеупоры имеют значения излучательной способности в диапазоне рабочих температур 1200... 2000 К в среднем на 18 % выше, чем алюмосидикатные огнеупоры (табл. 3 и 4). С одной стороны, повышение излучательной способности магнезитохромитовых огнеупоров объясняется присутствием в них окиси хрома Cr2O3, значение излучательной способности которой для температуры 1000 К составляет 0,80 (табл. 5). Это в среднем на 39 % выше по сравнению с излучательной способностью чистых оксидов. Доля Cr2O3 по массе в составе исследованных магнезитохромитовых огнеупоров в среднем составляет около 15 % (табл. 2). Остальную часть по массе занимает слабоизлучающий компонент оксид магния MgO, излучательная способность которого при температуре 1000 К в среднем на 20 % ниже по сравнению с оксидами SiO2 и Al2O3.
Выводы
Алюмосиликатные и магнезитохромитовые огнеупоры имеют значения интегральной излучательной способности в диапазоне рабочих температур 1200. 2000 К в среднем на 16.18 % выше, чем чистые оксиды SiO2, Al2O3, и MgO, что объясняется наличием эвтектики в фазовом составе этих огнеупоров.
Summary
The experimental data on integrated radiating of ability aluminiumsilicon and magneziumchrom fire-resistant are received according to their diagrams of a condition at heating on air in a range of temperatures 600 ... 2000 K.
Литература
1. Таймаров М.А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы». - Казань: КГЭУ, 2002. - 140 с.
2. В.С. Горшков и др. Физическая химия силикатов и других тугоплавких оединений / М.: Высшая школа, 1988. - 400 с.
3. Брюханов О.Н., Крейнин Е.В., Мастрюков Б.С. Радиационный газовый нагрев. - Л.: Недра, 1989. - 295 с.
4. Блох А.Г., Журавлев Ю.А. Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.
Поступила 01.07.2007
