Повышение эксплуатационной надежности огнеупорных фасонных материалов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 658.26

М. А. Таймаров, В. Г. Чайковский, И. М. Шакиров

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ОГНЕУПОРНЫХ ФАСОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: огнеупорность, термическая стойкость.

В статье рассматривается огнеупорный кирпич который может быть использован в технологиях производства огнеупоров для футеровки промышленных высокотемпературных печей, топок котлов и других высокотемпературных энерготехнологических агрегатов.

Keywords: fire resistance, thermal resistance.

The article considers refractory brick which can be used in technologies ofproduction of refractory materials for lining of industrial high-temperature furnaces, furnaces boilers and other high-temperature electrotechnological units.

Огнеупорные материалы (огнеупоры) — это материалы, изготовляемые на основе минерального сырья и отличающиеся способностью сохранять без существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах. Применяются для проведения металлургических процессов (плавка, отжиг, обжиг, испарение и дистилляция), конструирования печей и т.д. Большинство огнеупорных изделий выпускают в виде простых изделий типа прямоугольного параллелепипеда массой в несколько килограммов. Это универсальная форма для выполнения футеровки различной конфигурации [1,4].

Огнеупорные материалы отличаются повышенной прочностью при высоких температурах, химической инертностью. По составу огнеупорные материалы это керамические смеси тугоплавких оксидов, силикатов, карбидов, нитридов, боридов. В качестве огнеупорного материала применяется углерод (кокс, графит). В основном это неметаллические материалы, обладающие огнеупорностью не ниже 1580°С, применяются практически везде, где требуется ведение какого-либо процесса при высоких температурах [5].

В данной статье рассматривается конструкция огнеупорного кирпича,

изготавливаемого преимущественно методом спекания с применением связующих веществ. Данный огнеупорный кирпич может быть использован в технологиях производства огнеупоров для футеровки промышленных высокотемпературных печей, топок котлов и других высокотемпературных энерготехнологических

агрегатов.

Известно изделие, содержащее частицы основного огнеупорного вещества и связующее вещество, расположенное между частицами основного вещества и изготовленное методом спекания.

Недостатки этого изделия:

1. Невысокая термическая стойкость из-за того, что связующее вещество растрескивается из-за неравномерного многократного нагрева или охлаждения и перестает удерживать фиксированном положении частицы основного огнеупорного вещества.

2. Относительно невысокая огнеупорность из-за того, что связующее вещество является более

легкоплавким компонентом по сравнению с материалом частиц основного огнеупорного вещества.

Указанные недостатки устранены усовершенствованиями, которые направлены на решение задачи повышения термической стойкости и огнеупорности изделия.

На рис. 1 на фронтальном виде показано продольное сечение конструкции кирпича, на рис. 2 показано при виде сверху его поперечное сечение. Графическое изображение элементов 1-4, частота расположения нитей в сетке 3 и размеры рубленых нитей 4 условные.

4 3 12

L2Z п

_L

Рис. 1 - Огнеупорный кирпич в продольном сечении: 1 - частицы основного огнеупорного вещества, 2 - связующее вещество, 3 -армирующая сетка из крученого высокотемпературного углеволокна, 4 -пространственно ориентированные нити из рубленого крученого высокотемпературного углеволокна

Частицы 1 основного огнеупорного вещества служат для основного формообразования кирпича. Их технология изготовления, химический состав, размер частиц являются традиционными в зависимости от марки огнеупорного кирпича. Частицы 1 в составе кирпича воспринимают основной тепловой поток [2].

Связующее вещество 2 служит для обеспечения аутогезионного взаимодействия между частицами 1. Связующее вещество 2 в традиционной технологии спекания по рецептуре близко к материалу частиц 1 основного огнеупорного вещества, но является эвтектикой [1].

1 2

А-А

Г

еншшякмнйия

III ш пЦ Тш с »1 $

11т СИ -Ш- 111 л Ж ТТГ А. Ж сэ

5Г Г а

~т

Рис. 2 - Огнеупорный кирпич в поперечном сечении: 1 - частицы основного огнеупорного вещества, 2 - связующее вещество, 3 -армирующая сетка из крученого высокотемпературного углеволокна, 4 -пространственно ориентированные нити из рубленого крученого высокотемпературного углеволокна

Преимущественно при спекании связующее вещество эвтектического состава вследствие высокой температуры и некоторого незначительного изменения состава после спекания переходит из

тугоплавкий компонент. происходит растворения вещества в

за счет материала связующем

эвтектики в более Изменение состава высокотемпературного частиц 1 основного веществе 2.

Армирующая сетка 3 из крученого высокотемпературного углеволокна является высокотемпературным каркасом, который удерживает частицы 1 в их первоначальном положении и предотвращает влияние распространяющихся микротрещин в связующем веществе 2 при многократных циклах нагрева и охлаждения на термическую стойкость кирпича. Применением армирующей сетки 3 повышается термическая стойкость рассматриваемого кирпича по сравнению с известным изделием, так как крупные частицы 1 и их конгломераты механически удерживаются сеткой 1. Число армирующих сеток 3 и их взаимное расположение зависит от размеров кирпича [3].

Пространственно ориентированные нити 4 из рубленого крученого высокотемпературного углеволокна расположены локально и равномерно по основным направлениям линейного расширения в элементарных кубических объемах кирпича. Назначение нитей 4 - повысить огнеупорность

кирпича, по сравнению известным изделием, путем предотвращения выкрашивания преимущественно мелких части основного огнеупорного вещества из-за расплавления связующего вещества 2 по поверхности кирпича, контактирующей с зоной высокой температуры в энерготехнологическом объекте.

Данный огнеупорный кирпич в условиях работы топок промышленных печей и котлов функционирует следующим образом.

При повышении температуры внутри топочного объема происходит нагрев кирпича и его линейное термическое расширение, которое компенсируется за счет армирующей сетки 3, выполненной из нитей. Локальное расширение частиц 1 основного вещества аккумулируется пространственно ориентированными нитями 4.

При достижении нерасчетной

максимальной температуры в топочном объеме происходит выплавление связующего вещества 2 на контактирующей с высокотемпературным объемом топки поверхности кирпича. Однако, по сравнению с известным изделием, в рассматриваемой модели огнеупорного кирпича остаточная механическая прочность, за счет которой удерживаются частицы 1 от выкрашивания, обеспечивается микрокаркасом из нитей рубленого крученого

высокотемпературного углеволокна 4. Этим обеспечивается повышение огнеупорности кирпича.

Литература

1. Факторович Л.М. Теплоизоляционные материалы и конструкции. Л.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. 1957. — 455 с.

2. Кучукбаев К.В., Гарайшина Э.Г. Энерго - и ресурсосберегающие аппараты и технологии. Вестник КТУ, 2013, №7, с 110-113

3. Ащеев И. Д., Ладыгичев М. Г., Гусовский В. Л. Каталог-справочник. Огнеупоры: материалы,

изделия, свойства и применение. Книга 2. Москва: Теплоэнергетик, 2003. — 320 с.

4. Алленштейн Й. Огнеупорные материалы. Структура, свойства, испытания. Справочник/Перевод с немецкого. Под редакцией Г. Роучка, X. Вутнау. — М.: Интермет Инжиниринг, 2010. — 392 с.

5. Халиков М.Ф., Азизов Б.М., Чепегин И.В. Исследование сочетанного действия повышенной температуры воздуха и вредных веществ. Вестник Казан. технол. ун-та. 2010, №7, с.99-109

© М. А. Таймаров - д-р техн. наук, проф. каф. ПДМ КНИТУ; В. Г. Чайковский - канд. техн. наук, доц. каф. теплоэнергетики КГАСУ; И. М. Шакиров - студент - магистр каф. КУПГ КГЭУ, ilshatshakirov@mail.ru.