CC BY
54УДК 578.026.3
Р.Р. АХТЯМОВ, заведующий лабораторией жаростойких бетонов, институт УралНИИстром (Челябинск)
Оптимизированные конструкции футеровок вагонеток для обжига керамического кирпича
Обжиговые вагонетки являются неотъемлемым элементом туннельных печей, в значительной мере влияющим на их эффективную работу. Наиболее ответственной частью обжиговых вагонеток является футеровка, к которой предъявляются следующие основные требования:
— высокая прочность;
— устойчивость к воздействию многократных циклов нагрева и остывания;
— низкая теплопроводность и теплоемкость;
— ровная поверхность и стабильность геометрических размеров;
— технологичность монтажа и ремонтопригодность;
— низкая стоимость.
Как известно, футеровка вагонеток эксплуатируется в гораздо более тяжелых условиях, чем футеровка стен и перекрытия туннельных печей. Наряду с постоянными термическими напряжениями при многократном циклическом воздействии тепловой нагрузки футеровка вагонеток несет также нагрузку от садки, подвергается ударным воздействиям при продвижении вагонеток вдоль канала печи.
Жесткие условия эксплуатации приводят к существенному ограничению срока службы футеровки вагонеток и необходимости постоянных затрат на их ремонт, что приводит к удорожанию основной продукции
— керамического кирпича.
Все это обусловливает сложность выбора конструкции и материалов для футеровки обжиговых вагонеток. Рассмотрим наиболее распространенные в настоящее время конструктивные решения.
Типы конструкций футеровки
Конструктивные особенности футеровки определяют важнейшие эксплуатационные характеристики вагонетки, такие как:
— низкая теплопроводность для снижения теплопотерь через под печи и уменьшения нагрева подшипников колесных пар;
— низкая теплоемкость футеровки для снижения энергозатрат на ее прогрев;
— плотное сочленение замковых соединений вагонеток и зон примыкания к стенам печи для снижения теплопотерь с подсосами из подвагонеточного пространства.
Наибольшее распространение в европейских странах получила футеровка из формованных керамических огнеупорных элементов, используемых в комбинации с эффективными теплоизоляционными материалами (рис.1).
Данная конструкция футеровки имеет низкую массу, высокие теплоизоляционные характеристики и значительный срок службы, обусловленный использованием кордиеритовой керамики, имеющей высокую термостойкость. Срок службы таких футеровок составляет не менее 5—6 лет.
На ряде отечественных и зарубежных кирпичных заводов используется комбинированная конструкция футеровки вагонетки с использованием канализованного пода и поддерживающих стаканов из огнеупорной керамики, в то время как окантовочные блоки и подовые плиты верхнего ряда выполнены из жаростойкого бетона (рис. 2). Поддерживающие стаканы и элементы кана-
Рис. 1. Конструкция футеровки вагонетки с использованием огнеупорной керамики: 1 - окантовочный блок из огнеупорной керамики; 2 - поддерживающий стакан из огнеупорной керамики; 3 - легкий теплоизоляционный вермикулитобетон или вермикулитовая засыпка; 4 - муллитокремнеземистое волокно; 5 - подовые плиты из огнеупорной керамики; 6 - канализованный под из огнеупорной керамики
4
Рис. 2. Конструкция футеровки вагонетки с использованием оканто-вочных блоков из жаростойкого бетона и канализованного пода из огнеупорной керамики: 1 - окантовочный блок из жаростойкого бетона; 2 - легкий теплоизоляционный вермикулитобетон или вермикулитовая засыпка; 3 - поддерживающий стакан огнеупорной керамики; 4 - подовые плиты из жаростойкого бетона; 5 - канализованный под из огнеупорной керамики
Рис. 3. Конструкция футеровки вагонетки с использованием жаростойкого бетона на шлакощелочном вяжущем и плитных теплоизоляционных материалов (разработка УралНИИстром): 1 - нижний ряд оканто-вочных блоков из жаростойкого бетона; 2 - верхний ряд окантовочных блоков из жаростойкого бетона; 3 - стяжка из легкого теплоизоляционного вермикулитобетона; 4 - плитные изделия из вермикулита; 5 - подовые плиты из жаростойкого бетона; 6 - канализованный под из жаростойкого бетона
лизованного пода серийно выпускаются отечественными огнеупорными заводами.
Теплоизоляция приведенных выше вариантов конструкций футеровок представляет собой легкий высокотемпературный теплоизоляционный вермикулито-бетон.
Поддерживающие стаканы выполнены из огнеупорной керамики или жаростойкого бетона, на них опираются подовые плиты верхнего ряда и воспринимают на себя основную нагрузку от садки. Температурные швы между отдельными элементами футеровки прокладываются слоем муллитокремнеземистого волокна.
Институтом УралНИИстром была разработана конструкция футеровки обжиговой вагонетки с использованием окантовочных блоков из жаростойкого бетона и литных теплоизоляционных изделий (рис. 3).
Центральная часть футеровки выполнена в облегченном варианте с использованием высокоэффективных теплоизоляционных материалов, которые расположены следующим образом (снизу вверх):
— выравнивающая стяжка из легкого теплоизоляционного вермикулитобетона;
— кремневермикулитовые плиты плотностью 350 кг/м3;
— керамовермикулитовые плиты плотностью 600 кг/м3.
Использование плитных теплоизоляционных материалов позволяет значительно ускорить монтаж футеровки вагонетки и значительно облегчить ее вес.
Одним из решений, позволивших существенно увеличить долговечность футеровки вагонетки, было разделение окантовочных блоков на два ряда — верхний и нижний. Окантовочные блоки, верхний ряд подовых плит и элементы канализованного пода выполняются из жаростойкого бетона на шлакощелочном вяжущем.
Материалы для футеровки
Кроме конструкторского подхода к вопросу повышения долговечности футеровки обжиговой вагонетки не менее важным является материаловедческий подход. Рассмотрим наиболее распространенные в настоящее время материалы, применяемые для футеровки обжиговых вагонеток.
Большинство европейских фирм, осуществлявших поставки оборудования и строительство кирпичных заводов в России, предлагают использовать огнеупоры фирмы Burton (Германия), являющейся признанным европейским лидером в области производства огнеупоров для керамической промышленности.
Таблица 1
Свойства жаростойкого бетона на шлакощелочном вяжущем повышенной термостойкости, разработанного в ООО «УралНИИстром»
Показатели Значения
Средняя плотность, кг/м3 2050-2150
Прочность при сжатии, Мпа 35-40
Термостойкость (ГОСТ 7875), водных теплосмен 80-90
Термостойкость (DIN 51068), водных циклов 55-60
Теплопроводность при 20оС, Вт/(м.К) 0,6-0,7
Максимальная температура применения, оС 1250
Ориентировочный срок службы в футеровке вагонеток, циклов 300-400
Благодаря использованию специальных кордиери-товых и муллитокордиеритовых составов огнеупоры Burton имеют высокие эксплуатационные свойства (срок службы 5—6 лет), низкое термическое расширение - 0,33% при 1000оС (DIN 51045), что обусловливает очень хорошие показатели термостойкости.
Однако относительно высокая стоимость огнеупоров фирмы Burton сдерживает их широкое применение на российских заводах даже в случае их использования при текущем ремонте вагонеток, в футеровках которых при пуске печи использовались огнеупоры Burton. Высокая относительная стоимость формованной огнеупорной керамики для футеровки вагонеток также свойственна и другим европейским производителям этой продукции.
В последние годы в России получают распространение проекты китайских кирпичных заводов, в которых используются огнеупорная продукция производителей из КНР. Крупнейшие производители огнеупорной керамики из КНР: фирмы NJXYT, Zibo Refractory, Luoyang Refractory, Jiaozuo Refractory, Zhengzhou Zhenjin Refractories.
Практически во всех китайских технологиях в качестве футеровочного материала для обжиговых вагонеток заложены формованные огнеупорные блоки на основе шамота. Срок службы таких огнеупоров в среднем не превышает 2-2,5 года, после чего происходит растрескивание и частичное разрушение окантовочных блоков и элементов канализованного пода. Низкое качество формованных огнеупорных блоков из Китая, вероятно, связано с нестабильностью в составе сырьевых компонентов и отсутствием жесткой политики качества на предприятиях-производителях.
Еще одним сдерживающим фактором более широкого использования огнеупорной продукции из КНР является цена. С учетом транспортных и таможенных расходов применение китайских формованных огнеупоров для футеровки вагонеток в большинстве случаев, приводит к значительному удорожанию футеровки.
На отечественных кирпичных заводах имеется опыт применения изделий из жаростойкого бетона на алюми-натных вяжущих (ГЦ и ВГЦ). Однако использование таких изделий не получило широкого распространения из-за низкой термостойкости таких бетонов. Известно, что бетоны на глиноземистом или высокоглиноземистом цементе заметно снижают остаточную прочность после нагрева до 800-850оС, а значительный температурный градиент по толщине футеровки от 1050 до 100оС определяет низкую стойкость футеровки в зоне температуры 800оС [1].
Более высокие эксплуатационные характеристики имеют огнеупорные бетоны с пониженным содержани-
Таблица 2
Сравнительные характеристики основных видов футеровки обжиговых вагонеток
Вид материала Прочность при сжатии, МПа Прочность при сжатии, МПа (800оС) Термостойкость, циклов 51068) Цена в относительных единицах
Формованные огнеупоры
Burton (Burton) 35 35 80 $$$$
Burcorit (Burton) 50 50 100 $$$$$
КНР 15 12 30 $$$
Неформованные огнеупоры и жаростойкие бетоны
На основе ГЦ 25 12 15 $
На основе ВГЦ 45 25 30 $$$
Низкоцементные 40-50 30-35 50-60 $$$
Шлакощелочные 40 35 55-60 $
ем цемента до 10% — низкоцементные огнеупорные бетоны. При выполнении футеровок обжиговых вагонеток из низкоцементных огнеупорных бетонов при прочих равных оптимальных условиях (зерновой и вещественный состав материала, конструкторские решения) производителями заявляется повышение их стойкости в некоторых случаях до 400 циклов [2]. Подобные бетоны представляют собой многокомпонентные композиты, включающие полифракционный огнеупорный заполнитель, ультрадисперсные синтетические порошки, диспергирующие и пластифицирующие добавки, в связи с чем их стоимость существенно выше других огнеупорных смесей.
Заявляемые характеристики, полученные обычно лабораторным путем, зачастую не соответствуют реальным эксплуатационным характеристикам в условиях производства. Применение низкоцементных огнеупорных бетонов в высокотемпературных тепловых агрегатах цветной и черной металлургии экономически оправданно, однако высокая стоимость делает целесообразность их использования для футеровки вагонеток весьма спорной [3].
Институтом УралНИИстром разработан жаростойкий бетон на шлакощелочном вяжущем, высокие показатели термостойкости (табл. 1) которого объясняются высокой остаточной прочностью и значительно более близкими, чем для остальных бетонов, значениями коэффициентов линейного термического расширения шлакощелочной матрицы и шамотного заполнителя. Улучшения эксплуатационных характеристик шлако-щелочного бетона удалось достичь введением в состав цементного камня тонкодисперсных компонентов, увеличивающих остаточную прочность, и введением специальных видов тонкомолотых наполнителей алюмоси-ликатного состава [4].
Применение жаростойких бетонов на шлакощелочном вяжущем в 2—2,5 раза увеличивает срок службы вагонеток и на 20—40% удешевляет стоимость фу-теровок по сравнению с бетонами гидравлического твердения.
Высокая термическая стойкость жаростойких бетонов на шлакощелочном вяжущем и некоторая разноречивость данных о термической стойкости других огнеупорных материалов послужили поводом для проведения сравнительной оценки этого важного свойства у различных видов футеровочных материалов, результаты которой приведены в табл. 2.
Многолетний практический опыт показал, что для изготовления конструктивных элементов футеровки высокотемпературных агрегатов периодического действия, в том числе для футеровки обжиговых вагонеток, наиболее целесообразно использовать жаростойкие бе-
тоны на шлакощелочном вяжущем. Они обладают наибольшей термостойкостью из числа известных видов жаростойкого бетона, высокой прочностью и могут эксплуатироваться в жестком температурном режиме не менее трех лет.
Институтом УралНИИстром накоплен значительный опыт промышленного применения футеровок вагонеток на более чем 20 заводах по производству керамического кирпича. Например, по технологии, разработанной институтом, уже более 15 лет успешно эксплуатируются вагонетки на кирпичном заводе «Кемма» (Челябинск) мощностью 80 млн шт. усл. кирпича в год. На заводе работает участок по производству окантовочных бетонных блоков и элементов канализованного пода на шлакощелочном вяжущем.
Технология организации собственного участка по производству окантовочных блоков, разработанная институтом УралНИИстром, была успешно внедрена и применяется в настоящее время на Коркинском кирпичном заводе (Челябинская обл.), Ревдинском и Кушвинском кирпичных заводах (Свердловская обл.), Норском кирпичном заводе (Ярославская обл.) и др.
Также в течение последних трех лет институтом УралНИИстром были переданы рекомендации по организации участка и инструкции по составам и технологии производства окантовочных блоков на шлакощелочном вяжущем еще для шести кирпичных заводов.
Ключевые слова: кирпич керамический, туннельная печь, обжиговая вагонетка, формованные огнеупоры, жаростойкие бетоны, шлакощелочное вяжущее, окантовоч-ные блоки, канализованный под.
Список литературы
1. Шахов И.И. Совершенствование футеровок вагонеток туннельных печей для обжига кирпича // Строительные материалы. 2001. № 1. С. 20—21.
2. Денисов Д.Е., Кухмаров А.В. Применение огнеупорных бетонов для изготовления и ремонта футеровок вагонов туннельных печей кирпичных заводов // Строительные материалы. 2003. № 4. С. 18—19.
3. Трубицын М.А., Кузин И.Н. Эффективная футеровка вагонеток туннельных печей керамической промышленности из алюмосиликатного керамобетона // Строительные материалы. 2007. № 2. С. 64—66.
4. Ахтямов Р.Р. Жаростойкий бетон повышенной термостойкости на шлакощелочном вяжущем // Огнеупоры и техническая керамика. 2010. № 3. С. 43-46.
