CC BY
19
Таймаров В.М.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА ОГНЕУПОРОВ И НАРУЖНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В КОТЛАХ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА
Магнезиальные огнеупоры с содержанием оксида магния в виде периклаза и содержанием оксидов железа имеют интегральную излучательную способность при 1000К на 19-20% выше по сравнению с излучательной способностью чистого оксида магния. Для котла ОКГ-100-ЗБ в области длин волн 8-12мкм спектральная излучательная способность достигает высоких значений 0,80-0,97, а в области длин волн 2-5мкм понижается до 0,70. Уменьшение интегральной излучательной способности поверхностей нагрева котла ОКГ-100-ЗБ вследствие образования на них отложений составляет 31 %.
Ключевые слова: спектральный, интегральный, эмиссия, огнеупор, отложения, котел, оксид железа, эксперимент.
К числу огнеупоров с высоким содержанием оксидов железа принадлежат магнезиальные огнеупоры. В данной статье приведены результаты исследования излучательной способности магнезиальных огнеупоров, к которым принадлежат чисто периклазовые огнеупоры с содержанием не менее 85% оксида магния. Кристаллической основой периклазовых огнеупоров по диаграмме равновесного состояния служит периклаз М§0. Диаграмма равновесного состояния М§0 - Ре203 применительно к периклазовым огнеупорам приведена на рис.1.
Рис.1. Диаграмма равновесного состояния системы М§0 - Ре203 [1]
Методика эксперимента приведена в работе [2]. Погрешность измерений интегральной излучательной способности ±1,87%, спектральной- ±1,93%. Исходные характеристики исследованных образцов периклазовых огнеупоров приведены в табл.1, полученные данные по интегральной излучательной способности приведены в табл.2.
Таблица 1. Исходные характеристики исследованных образцов периклазовых огнеупоров
№ п/п Наименование огнеупора Содержание компонентов (% по массе), плотность р (г/см3), Ка (мкм), Бт (мм) Место отбора образца
1. Магнезит МП-91 М§0=91; Ка=17; Зт=0,72 Всесоюзный институт огнеупоров
2. Магнезит ПБС-88 М§0=88; р=2,55; Ка=21; Бт=0,6 Запорожский огнеупорный завод
3. Магнезит (ГОСТ 468974) М§0=34,53; БЮ2=24,42; А1203=15,6; Ре203=5,23; 2п0=2,07; Са0=2,03; К20=0,6; Ка=0,4; Бт=0,1 Саткинский огнеупорный комбинат
4. Доломит М§0=25,3; Са0=24,67; БЮ2=8,68; Ре203=7,49; 2п0=4,86; К20=4,0; А1203=3,41; Ка=23, Бт=0,78 Челябинский металлургический комбинат
Таблица 2. Интегральная излучательная способность периклазовых огнеупоров е при нагреве на воздухе в зависимости от температуры Т, К
Марка огнеупора е при температуре Т, К
(завод-изготовитель) 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Магнезит (СОК) 0,83 0,76 0,70 0,65 0,61 0,59 0,56 0,54
Доломит (ЧМК) 0,77 0,70 0,63 0,58 0,55 0,53 0,50 0,48
Магнезит ПБС-88(ЗОЗ) 0,65 0,58 0,53 0,50 0,48 0,47 0,46 0,45
Магнезит МП-91 (ВИО) 0,54 0,52 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45
Магнезит МГ-1 [3, 4] - - 0,62 0,59 0,59 0,59 0,59 -
Магнезит МП-89 [3,4] - - 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 -
Примечание: СОК - Саткинский огнеупорный комбинат; ЗОЗ - Запорожский огнеупорный завод; ВИО - Всесоюзный институт огнеупоров; ЧМК - Челябинский металлургический комбинат; [3, 4]- данные Мастрюкова Б.С. для магнезита МП - 89 (химический состав: М§О =89%, Са0=2,5%, БЮ2=2,4%, Ре203=2,2%); для магнезита МГ-1 (химический состав: М§О=80%).
Периклаз—это самостоятельная фаза, представляющая собой твердый раствор М§О с легкоплавкими эвтектиками на основе БЮ2, А1203, Са0, Ре203. Оксиды БЮ2, А1203, Са0 содержатся в составе периклазовых огнеупоров соответственно в виде кристобалита, корунда, извести. Кроме этого, в периклазовых огнеупорах могут присутствовать эвтектики: муллит, форстерит.
Сравнение данных по интегральной излучательной способности магнезита МП-91 (М§О=91%) (табл.2) с данными для чистого оксида магния при 1000К показывает, что оксид магния в виде фазы периклаза имеет излучательную способность выше на 19%, по сравнению с чистым М§О. Следовательно, при рассмотрении излучательной способности периклазовых огнеупоров количественное содержание твердого раствора М§О является определяющим. В пределах погрешности опытов можно принять, что излучательная способность магнезита МП-91 равна излучательной способности периклаза.
На рис.2 зависимость излучательной способности е магнезита МП-91 от температуры
-0 1481 2
Т аппроксимирована степенным уравнением е=1,3964Т- , с достоверностью К =0,9955.
Для двухкомпонентных систем М§О-БЮ2, МвО-А!^ интегральная излучательная способность может быть выражена как:
■ для доэвтектических огнеупоров:
епер+эвт~^перепер+^эвтеэвт, (1)
■ для заэвтектических огнеупоров:
еэвт+ комп=^эвтеэвт+^комп екомп (2)
где епер, еэвт, екомп -соответственно излучательные способности периклаза, эвтектики и второго компонента; тпер, тэвт, ткомп- массовые доли периклаза, эвтектики и второго компонента в составе огнеупора.
Для использования на практике формул (1) и (2) необходимы данные по излучательной способности эвтектик еэвт.
0,6 0,5 0,4 є 0,3 0,2 0,1 0
0
Ь*—*— к
є = ,3964T"0’148 2 = 0,9955 х Магнезит МП-91
R
Т К
500
1000
1500
2000
2500
Рис. 2. Аппроксимация зависимости излучательной способности є от температуры Т степенным уравнением
Результаты измерений спектральной излучательной єї способности периклазовых огнеупоров представлены в табл.3.
Таблица 3. Спектральная излучательная способность єх периклазовых огнеупоров
Марка образца ї, мкм
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Магнезит МП-91 при 700 К 0,49 0,43 0,43 0,56 0,68 0,80 0,88 0,93 0,93
Магнезит МП-89 при 1400 К [12] 0,53 0,50 0,50 0,57 0,70 0,80 0,85 0,91 -
Магнезит МГ-1 при 1400 К [3,4] 0,60 0,54 0,54 0,61 0,72 0,81 0,90 0,92 -
Магнезит при 1700 К [5] 0,60 0,60 0,65 0,70 0,90 - - - -
Примечание: [5]- данные Блоха А.Г. (химический состав не указан).
Из числа представленных в табл.З образцов, наибольшей излучательной способностью єї в области спектра 2—4 мкм обладает магнезит МГ-1 (табл.3). Интегральная излучательная способность магнезита МГ-1 также высока.
Влияние температуры на спектральную излучательную способность периклазовых огнеупоров незначительно и сказывается, в основном, в области длин волн 2—5 мкм. С ростом температуры Т происходит увеличение спектральной излучательной способности єї в области длин волн 2—5 мкм. При повышении температуры с 700К до 1400К повышение спектральной излучательной способности єї составляет в среднем 2G%.
Рис.3. Принципиальная схема котла ОКГ-100-3Б: 1-кессон (откатная часть котла); 2-стационарная часть котла; 3-
радиационные поверхности нагрева; 4-конвективные поверхности нагрева; 5-бункер сбора конверторной пыли
Охладители конверторных газов ОКГ-100-3Б (рис.3) являются наиболее
ответственными и энергонасыщенными высокотемпературными установками в конверторном способе производства стали.
Отложения на поверхностях нагрева образуются из оксидов железа, которые на входе в охладители конверторных газов находятся в размягченном и в жидком состоянии. Имеется различие в излучательной способности магнетита и гематита, из смеси которых в различных пропорциях состоят отложения. Поэтому описать излучательную способность отложений на основе данных по излучательной способности чистых магнетита и гематита невозможно.
Конструктивно охладители конверторных газов на различных металлургических заводах не различаются сильно между собой. В данной работе для исследования были взяты образцы материалов отложений с поверхностей нагрева охладителя конверторных газов ОКГ-100-3Б, установленного за 100 тонным конвертором на Челябинском металлургическом заводе.
В период перефутеровки конвертора 0КГ-100-3Б нижнюю часть- кессон 1 перемещают в сторону от стационарной части 2 на специальной тележке.
Котел имеет радиационные экранные поверхности нагрева 3 и конвективные поверхности нагрева 4. Для улавливания и удаления части конвертерной пыли имеется бункер 5. На схеме (рис.3) также приведены уровни температур охлаждаемых пылегазовых потоков по газоходу котла ОКГ-100-3Б.
Химический состав образцов загрязняющих наружных отложений поверхностей нагрева следующий (в % по массе):
■ откатная часть: Ре203=73,4; СаО=15,5; Ре0=2,2; БЮ2=1,6; Мп0=1,3; Ип0=0,7; истинная плотность р=4,5 г/см3;
■ конвективные поверхности: Ре203=73,2; СаО=8,5; Ре0=7,2; БЮ2=2,3; Мп0=0,9; Ип0=1,5; истинная плотность р=3,9 г/см3.
В условиях эксплуатации при образовании отложений имеют место более высокие температуры, то в температурном диапазоне нагрева во время экспериментов в образцах не происходило никаких физико-химических превращений, которые могли бы оказывать влияние на надежность получаемых данных по излучательной способности (табл.4).
Таблица 4. Характеристики образцов загрязнений поверхностей нагрева 0КГ-100-ЗБ
№ образца Точка отбора Состояние поверхности Ra, мкм Sm, мм
1. Шлак с поверхности нагрева откатной части Твердый спек 40-220 1-2
2. Вырезка из экранной поверхности Окисленная без отложений 37,5 0,55
3. Отложения с поверхностей нагрева стационарной части Твердый спек 36 0,64
Как следует из табл.5, наибольшие значения излучательной способности в нормальном направлении имеют окисленные образцы вырезок из экранных поверхностей.
Шлак с поверхностей нагрева откатной части (образец №1) имеет, по сравнению с отложениями стационарной части, более высокие излучательные способности. Общая закономерность к росту интегральной излучательной способности с повышением температуры сильнее выражена у загрязнений с поверхностей нагрева откатной части (образец №1).
Таблица 5. Интегральная излучательная способность образцов отложений ОКГ-100-3Б
№ образца Нормальная излучательная способность є„ при Т, К 650 700 750 800 850 900 950
2. 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0,81 0.82
1. 0,62 0.64 0.66 0.68 0,69 0.72 0.74
3. 0,56 0,59 0.61 0.63 0.64 0.65 0,66
Измерения спектральной излучательной способности проводилось на образцах отложений конвективной части ОКГ-100-ЗБ. Средние значения параметров шероховатости этих образцов были следующие: Яа=13 мкм, 8ш=0,32 мм. Из
представленных на рис.4 данных следует, что для котла ОКГ-100-ЗБ в области длин волн 8-12 мкм спектральная излучательная способность достигает высоких значений 0,80-0,97, а в области длин волн 2-5 мкм понижается до 0,70.
Рис.4. Спектральная излучательная способность отложений конвективной части 0КГ-Ю0-3Б:
700 К; ----- B00 К; — - 900 К; ..... 1000 К
Сравнивая данные по спектральной излучательной способности отложений (рис.4) с результатами для отложений состава Si02=80%, Fe203=20% [5], можно видеть, что они хорошо коррелируют (табл.6).
Таблица 6. Сравнение данных по излучательной способности отложений ОКГ-100-3Б (конв. часть при 700 К) с данными Мастрюкова Б.С. для отложений состава БЮ2 =80%, Ре203=20% Мастрюкова Б.С. [3]
к, мкм 2 4 6 8 l0
0КГ-Ю0-3Б 0,67 0,70 0,76 0,84 0,88
Данные [3] 0,45 0,72 0,80 - -
Примечание. В работе Мастрюкова Б.С. [3] температура не указана.
ВЫВОДЫ
1. Магнезиальные огнеупоры с содержанием оксида магния около 90% в виде периклаза и содержанием оксидов железа имеют интегральную излучательную способность при 1000К на 19—20% выше по сравнению с излучательной способностью чистого оксида магния. Это объясняется тем, что в магнезиальных огнеупорах фаза периклаз является твердым раствором и имеет свой спектр излучения более интенсивный, чем у чистого оксида магния.
2. Уменьшение интегральной излучательной способности поверхностей нагрева котла 0КГ-Ю0-ЗБ вследствие образования на них отложений составляет 31%.
Литература
1. Горшков В.С., Савельев В.Г., Федоров Н.Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. -М.: Высшая школа, 1988.- 400 с.
2. Таймаров М.А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы». - Казань: КГЭУ, 2002. -140 с.
3. Брюханов О.Н., Крейнин Е.В., Мастрюков Б.С. Радиационный газовый нагрев. Л.: Недра, 1989. -295 с.
4. Кривандин В.А., Кузнецова Н.П., Мастрюков Б.С., Шутов А.П. Радиационные характеристики огнеупоров. // Теплофизика высоких температур. -1975.- т.13. -№ 3. -С.538-541.
5. Блох А.Г., Журавлев Ю.А. Рыжков Л.Н. //Теплообмен излучением. Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 с.
