CC BY
68
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2021, №2, Том 13 / 2021, No 2, Vol 13 https://esj.today/issue-2-2021.html URL статьи: https://esj.today/PDF/35SAVN221.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Пашков Е.И., Пермяков М.Б., Краснова Т.В. Защита теплотехнических агрегатов в агрессивной высокотемпературной среде строительными теплоизоляционными материалами // Вестник Евразийской науки, 2021 №2, https://esj.today/PDF/35SAVN221.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Pashkov E.I., Permyakov M.B., Krasnova T.V. (2021). Protection of heat engineering units in an aggressive high-temperature environment with building heat-insulating materials. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(13). Available at: https://esj.today/PDF/35SAVN221.pdf (in Russian)
Пашков Евгений Иванович
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия
Аспирант
E-mail: [email protected] РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=939084
Пермяков Михаил Борисович
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия
Заведующий кафедрой «Строительного производства» Доктор Ph.D, кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8015-7897 РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile. asp?id=535560 Researcher ID: https://www.researcherid.com/rid/AAL-1784-2021 SCOPUS: https://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=55966880300
Краснова Тамара Викторовна
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия
Инженер научно-инновационного центра Член Союза дизайнеров России E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1213-9005 РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=703894 SCOPUS: https://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=57093425600
Защита теплотехнических агрегатов в агрессивной высокотемпературной среде строительными теплоизоляционными материалами
Аннотация. Модернизация производства с применением современных огнеупорных материалов - актуальная тема современных научных исследований. Основной составляющей частью всех теплотехнических агрегатов и систем можно считать огнестойкую защиту конструкций самих агрегатов и систем от высоких температур и абразивных элементов различных фракций. Работы по устройству огнеупорных покрытий предполагают использование огнестойких материалов, предотвращающих воздействие высоких температур и химических реакций на металлические конструкции агрегатов и систем, предотвращая потери установленной температуры в технологической системе производства.
В статье осуществлен обзор строительных теплоизоляционных материалов. Рассмотрены их качества, преимущества и специфика использования различных составов,
основные технологические процессы производства огнеупоров, их физико-химические и механических свойства и типы используемого в изготовлении сырья, его ресурсный потенциал. Систематизированный материал классифицирован и представлен схемами и рисунками.
В результате исследования авторы приходят к выводам, что современные строительные теплоизоляционные материалы представлены широким спектром применения различных технологий изготовления и состава сырья, многие из которых зарекомендовали себя надёжным элементом защиты теплотехнических агрегатов в агрессивной высокотемпературной среде. Огнеупорные материалы широко используются в металлургических агрегатах. Наиболее высокие показали по температурным защитам, простоте использования и скорости производства аварийных и плановых ремонтных работ показывает технология торкретирования. Здесь перспективным направлением может стать использование композиционных огнеупоров порошкового типа в процессе аддитивного строительства. Применение комбинированных технологий изготовления теплоизоляционных огнеупорных материалов позволяет решать несколько системных задач: снижение стоимости, трудозатратности, увеличение межремонтных сроков, улучшение экологии. Так же авторы приходят к выводу, что в настоящий момент существуют реальные предпосылки для системной организации промышленного производства новых теплоизоляционных материалов в промышленных масштабах с использованием региональных ресурсов.
Ключевые слова: теплоизоляция; теплотехнические агрегаты; агрессивная высокотемпературная среда; огнеупор; строительные материалы; торкретирование; жаростойкий бетон
Современные строительные теплоизоляционные материалы - это возможность осознания путей развития современного строительства и создания новых концепций в строительной отрасли. Современные строительные теплоизоляционные материалы имеют широкий спектр применения, как в инновационных областях, так и прикладных сферах строительства [1-3].
Изучением свойств и технологий высокотемпературных теплоизоляционных материалов занимались многие отечественные исследователи: Стрелов К.К., Мамыкин П.С., Кащеев И.Д., Земляной К.Г., Урванцев А.И., Вислогузова Э.А., Михеенков М.А., Иванов В.К., Демин Е.Н., Маркова С.В., Кормина И.В., Сычев С.Н., Елизаров А.Ю. и другие. Модернизация производства с применением современных огнеупорных материалов - актуальная тема современных научных исследований [4-7].
В настоящее время мировая промышленность стремится к снижению издержек и трудоёмкости при строительстве и ремонте теплотехнических агрегатов, газоходов и прочих систем, а, соответственно, требуется значительное сокращение времени производства работ по их аварийным и плановым ремонтам. Расчет риска аварий и надежности конструкций позволяет предугадать и избежать негативные последствия и техногенные аварии на производстве, что остаётся одной из важнейших задач в современном строительстве [8; 9]. Основной составляющей частью всех теплотехнических агрегатов и систем можно считать огнестойкую защиту конструкций самих агрегатов и систем от высоких температур и абразивных элементов различных фракций. Плановые или аварийные ремонты, как правило, стараются производить в кратчайшие сроки, они связаны с графиками выпускаемых продукций предприятия, что влечёт за собой поиск долговечных, экономичных материалов и технологий.
Введение
В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность использует для производства огнеупоров более 150 различных сырьевых материалов, в том числе более 100 веществ неорганического состава [10; 11].
Основная часть
Работы по устройству огнеупорных покрытий технологического оборудования представляют собой совокупную систему, состоящую из труда специалистов и специализированных механизмов, а также использование огнестойких материалов, предотвращающих воздействие высоких температур и химических реакций на металлические конструкции агрегатов и систем, предотвращая потери установленной температуры в технологической системе производства.
Огнеупорные материалы обладают множеством качеств, которые необходимы для продления срока эксплуатации теплотехнических агрегатов.
Защитные покрытия имеют многослойное исполнение с использованием различных типов материалов (по составу и свойствам).
В качестве огнеупорной футеровки, как правило, используются камни, либо бетонные смеси из огнеупорных материалов (в зависимости от температурных и эксплуатационных характеристик, которые соответствуют требуемым процессам). Благодаря этой базовой технологии, современные промышленные печи и их системы (в цементной, стальной, керамической, алюминиевой, цветных металлов, стекла и химической промышленности) оснащены специализированными огнеупорными материалами. При проектировании современных промышленных печей, обеспечивающих экономичный, качественный и высокопроизводительный нагрев металлопродукции, одним из основных принципов является использование в качестве футеровочных материалов современных низкотеплопроводных материалов - волокнистых огнеупоров, применение которых наиболее оправдано в термических печах, рабочая температура которых, как правило, не превышает 1100-1150 °С [12].
Существует множество Современные строительные теплоизоляционные материалы (рис. 1).
Керамическое волокно Бетон Торкрет бетон Рулонный материал
Рисунок 1. Виды огнеупоров (URL: https: yandex.ru images search?text огнеупорыЛ/гот tabbar)
Вестник Евразийской науки 2021, №2, Том 13 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2021, No 2, Vol 13 https://esj.today
Основным сырьём для производства огнеупорных материалов служат оксиды (MgO-SiO2, MgO, ZrO2 и SiO2) и бескислородные соединения, такие как: графит, карбиды, оксикарбиды, сиалоны, оксинитриды.
При производстве огнеупорных материалов используются различные технологии и процессы.
Основными технологическими процессами производства огнеупорных материалов является:
измельчение компонентов сырья; термообработка;
приготовление шихты с добавлением пластификаторов;
формование и прессование, литьё при помощи прессоборудования;
печной обжиг для получения необходимых физико-химических свойств.
Характеристиками огнеупорных материалов, при их эксплуатации, являются физико-химические и механических свойства.
Огнеупорные изделия делятся на два типа:
• неформованные;
• формованные.
Огнеупорные изделия, произведённые без определённых конструктивных форм и размеров, принято определять как «неформованные».
К данному виду относятся огнеупоры нескольких типов:
• порошкового типа (заправочные порошки, бетонные смеси, мертели, цементы, торкрет массы);
• суспензии (этилсиликатные, жидкостекольные, гипсовые);
• волокнистые;
• кусковые.
В качестве увеличении прочностных характеристик неформованных огнеупоров используют органические, либо минеральные связующие:
• органические (различные полимеры);
• минеральные (жидкое стекло).
Неформованные огнеупоры бывают пластичными, жидкотекучими, сухими и полусухими в зависимости от их назначения и условий их применения в той или иной технологии.
Применение неформованных огнеупоров широко используется в металлургии при ремонте сталеразливочных ковшей, конвертеров, нагревательных и обжиговых печей, коксовых печей и электросталеплавильных дуговых печей. Перспективным направлением может стать использование композиционных огнеупоров порошкового типа в процессе аддитивного строительства [13].
При производстве огнеупорной защиты стен, подов, арок используют формованные огнеупорные изделия.
Формованные и неформованные огнеупоры в большинстве технологий используются в комплексе (рис. 2).
1 - теркрет бетон; 2 - муллито-кремнеземистое волокно; 3, 4 - шамотный кирпич, 5 - муллито-кремнеземистый кирпич
Рисунок 2. Комплексное применение формованных и неформованных огнеупоров
При укладке формованных огнеупоров в качестве связующего используют шамотные растворы с добавлением жидкого стекла и ортофосфорной кислоты.
Формованные огнеупорные изделия (рис. 3) принято считать огнеупорами, произведёнными следующими методами:
• полусухого и горячего прессования;
• пластического формования;
• текучих масс и расплавов материала;
• распила горных пород или изготовленных блоков.
Формованные огнеупоры производятся разных форм и размеров:
• клиновые - прямые (имеют различные размеры от малого до крупногабаритного);
• простые, сложные (с массой от 1 и более 60 кг);
• листовые панели [14].
При производстве среди используемых многочисленных разновидностей сырья условно можно выделить 12 химических классов, которые включают 36 характерных групповых сочетаний огнеупорных природных минералов и искусственных материалов [10; 11].
Рисунок 3. Виды формовки огнеупорных изделий (URL: https://videogorod.ru/blog/ogneupornye-materialy-ponyatie-i-klassifikatsiya/)
Для создания огнеупорных материалов используется несколько типов сырья, различаемых по химико-минеральному составу.
Органическое сырье - продукция производятся из минерального сырья, способна выдерживать высокие температуры. Исключением являются пенополистиролы. Они имеют слабую стойкость к огню и могут использоваться лишь выкладке печей со слабым прогревом.
Неорганическое сырьё - большая категория продуктов с широким диапазоном огнестойкости. К ним относятся базальтовая и минеральная вата, стекловолокно, вермикулит и перлит [14].
Рисунок 4. Разновидности безобжиговых огнеупоров (составлено авторами) Композитное сырьё - это вспененные кремнеземные и асбестосодержащие материалы.
В зависимости от вида термической обработки материала делятся на два вида огнеупоров:
• обожженные;
• безобжиговые.
Безобжиговые (термообработанные) изделия из огнеупорного сырья достигают требуемых физико-химических свойств при температуре термообработки от 400 до 1000 градусов Цельсия, их разновидности представлены в рис. 4.
Обжиговые материалы получают при помощи обжига (Л свыше 600), тем самым достигаются требуемые физико-химических свойств. Обжиг может происходить в печах различного типа: кольцевых; плазменных; шахтных, туннельных.
Основными свойствами материалов, используемых в качестве футеровки, является огнеупорность (то есть сопротивляемость воздействию высоких температур, отсутствие изменений структуры и формы материала).
Критериями при подборе огнеупорных материалов руководствуются основными условиями (рис. 5).
as
93 S aa о n и о a. о e a> s u _
s о
я о
s а.
a <u о ю _
h X
= CS
a. s a
с
при воздействии высоких температур сохраняет структуру и конструктив
имеет показатели такие ка износостойкость, необходимую прочность на сжатие при нагреве
отсутствие реакции при контакте с агрессивными химическими продуктами _производства работ_
долговечность при различных циклах нагрева и эксплуатации
Рисунок 5. Критерии и условия при подборе огнеупорных материалов (составлено авторами)
Специальные материалы, устойчивые к воздействию высоких температур, могут производиться с различными конструктивными характеристиками и свойствами, разработанными под определённую требуемую технологию.
Материалы, сохраняющие свою структуру и конструктив, при продолжительном или краткосрочном воздействии высоких температур имеют свою классификацию (рис. 6)1.
Сверхогнеупорными материалами классифицируют материалы, сохраняющие свою форму и физические характеристики при воздействии более высоких температур.
Наивысшую степень огнестойкости в данное время в мировой индустрии огнеупорных материалов имеет нестехиометрический карбид гафния ИГС0.98 его температура плавления составляет 3927 градусов Цельсия.
1 Химическая энциклопедия: Огнеупорные материалы [Электронный ресурс]. - URL: http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_2518.html (Дата обращения: 10.04.2021).
s
s
EC
H
w
JS
n
о
a
s a. Р- н
с я
a о 4 о. =
я
s
n. н
ZJ и
я =
X
у о
к U
s
Я а
я
bä
s
-е-
s
о
У
я
Н
М
огнеупорные
выдерживают от +1580 до +1770 градусов Цельсия
BbieoKooi неунорнме
от 1770 до 2000 i-радусов Цельсия
изделия с наивысшеи огнеупорностью
от 2000 до 3000 градусов Цельсия и выше
сверхогнеупорные
нагрев свыше 3000 градусов Цельсия
Рисунок 6. Классификация материалов при краткосрочном воздействии высоких температур (составлено авторами)
Сравнение поведения, испытываемого и стандартного образцов при воздействии высокой температуры по определенному скоростному режиму, определяется его класс огнестойкости. Образцы материала имеют специальную форму пирамидального типа с основаниями в виде равностороннего треугольника высотой 30 мм. Одна из граней пирамиды расположена перпендикулярно основаниям. Данные образцы называются пироскопами. Пироскопом сокращенно называют "пирометрический конус Зегера" (рис. 7) одноразовое изделие для контроля температуры от 600 до 2000 градусов Цельсия.
Рисунок 7. Пирометрический конус Зегера (URL: https: yandex.ru images search?cbird 5&rpt imageview&redircnt I6l83l9740.l&url https%3A
%2F%2Favatars.mds.yandex.net%2Fget-images-cbir%2F4120472%2FLD-A7paT5TxrpPgT-sAM-A9201%2Forig&cbir id=4120472%2FLD-A 7paT5TxrpPgT-sAM-A9201)
При нагревании пироскопы размягчаются и теряют форму, наклоняются. Момент касания верхушки пирамиды поверхности основания определяет огнеупорность изделия испытываемого состава, называемый температурой падения. Условное обозначение керамических пироскопов обозначается аббревиатурой ПК. Номер пироскопа - величина, равная температуре падения этого пироскопа, уменьшенная в десять раз.
Огнеупорные материалы производятся в сочетании искусственных и натуральных компонентов, с последующим анализом показателей плотности, прочности, а также пористости. По пористости материалы различаются объёмной долей пор в процентах (рис. 8).
я H и сверхплотные огнеупорные материалы (пористость менее 3%)
©
и высокоплотные
= a, — (3-10%)
о E О = CO в i",
— уплотненные (16-20%)
03 = a s н — материалы повышенной пористости (20-30%)
S s к
легковесные
S я (45-75%)
03 'А
S •в" S W — огнеупоры с высокой пористостью (45-85%)
я
ч а — ультралегковесные (75-90%)
Рисунок 8. Классификация материалов по показателям пористости (составлено авторами)
В зависимости от сырья огнеупоры, бывают динасовыми, шамотными, глиноземистыми. По химико-минеральному составу огнеупоры делят на группы (рис. 9).
Рисунок 9. Классификация огнеупоров по химико-минеральным характеристикам (составлено авторами)
При обозначении состава огнеупора в наименовании на первое место ставится преобладающий компонент (например, периклазохромитовые и хромитопериклазовые).
Большой интерес представляют алюминотермические шлаки производства большинства ферросплавов и лигатур (содержание АЬОз: 50-85 %), отходы катализаторов производства синтетического каучука (содержание А12О3: 65-75 %), корундовые шламы абразивного производства (82-96 %), пылеунос печей кальцинации глинозема (90-97 %) и металло-минеральные отходы производства вторичного алюминия (60-72 %). Все вышеперечисленные разновидности техногенных высокоглиноземистых материалов являются потенциальным сырьем для синтеза огнеупорных, жаростойких, керамических и плавленых материалов различного состава [15].
Минеральной основой алюмотермических шлаков являются алюминаты кальция, корунд и шпинель. В отличие от всех других металлургических и топливных шлаков алюмотермические шлаки имеют не силикатный, а глиноземистый (алюминатный) вещественный состав, что и предопределяет их необычные специфические физико-химические
свойства. Одним из таких свойств этих плавленых материалов является способность не смачиваться расплавленным алюминием и не реагировать с ним. Это свойство огнеупорных и жаростойких материалов названо алюмофобностью [16].
Алюмосиликатные огнеупоры - огнеупоры, изготовленные преимущественно из АЪОэ
и SiO2.
В зависимости от количества содержания АЬОэ такие огнеупоры бывают:
• полукислые (содержание АЬОэ - от 14 до 28 %);
• шамотные (содержание АЬОэ - от 28 до 45 %);
• высокоглиноземистые (содержание АЬОэ - от 45 до 95 %).
Полукислые огнеупоры - алюмосиликатные огнеупоры с массовой долей АЬОэ от 14 до
28 %.
Их свойства позволяют использовать такие огнеупоры только на малозначимых участках футеровки коксовых печах и в некоторых других сталелитейных агрегатах, но как противопожарная изоляция, этот вид огнеупоров имеет большие перспективы2.
Огнеупоры шамотные содержат в составе 28-45 % АЬОэ и 50-70 % SiO2.
При производстве формованных шамотных огнеупоров используются обожжённые при температуре от 1300-1500 градусов Цельсия каолиновые глины. Обжиг происходит в шахтных или вращающихся печах, обожжённый и измельчённый до требуемой фракции шамот смешивают с глиной и водой в качестве связующего, полученные массы формуют, сушат и обжигают при температуре 1300-1400 градусов Цельсия.
Материалы огнеупорные шамотные применяются в качестве футеровки доменных печей, воздухонагревателей, сталеразливочных ковшей, нагревательных и обжиговых печей. Неформованные огнеупоры шамотные производят из измельченного шамота, связующего сырья и используют в виде мертелей, набивных масс, порошков, так же используют при ремонте огнеупорных футеровок разных теплотехнических агрегатов.
Распространенными зонами использования в теплотехнических агрегатах высокоглиноземистых огнеупорных изделий являются: верхние части стен и купола воздухонагревателей, в кладке лещади и горна доменных печей, в печах с рабочей температурой 1400 °С до 1500 градусов Цельсия, при непрерывной разливке стали, в сталеразливочных ковшах (как инертные составляющие огнеупорных бетонов, мертелей).
Огнеупорные изделия шамотного типа бывают трех видов:
• Муллитокремнеземистые (АЬОэ: 45-62 %), МКР, имеют шамотную основу из глин и бокситов, характеризуются содержанием АЬОэ до 62 %. Они производятся методом плавки в электрической печи оксидов алюминия и кремния.
• Муллитовые (АЬОэ: 62-72 %) МЛ.
• Муллитокорундовые (АЬОэ: 72-90 %) МК, так же, как и МЛ, имеют основу из глиноземов, маложелезистых бокситов и электрокорундов2.
Корундовые, муллитокорундовые и муллитовые керамические материалы широко используются как огнеупорные материалы [17].
2 Самая полная информация про огнеупорные материалы! [Электронный ресурс]. - URL: https://ogneypor.ru/info-czentr/stati/ogneupornye-materialy (дата обращения: 20.05.2021).
С применением отечественных исходных компонентов: электроплавленого корунда, технического глинозема и каолина высокой чистоты могут быть получены аналоги импортным огнеупорам с удовлетворительными эксплуатационными свойствами [18]. К высокоглиноземистым корундовым огнеупорам относятся огнеупоры, в которых содержание АЬОз больше 95 %. Для изготовления таких огнеупоров используют технический глинозем и порошок корунда электроплавкого. После формировки материал обжигают при температуре от 1600 до 1750 градусов Цельсия. Стойкость к высоким температурам и устойчивость физико-химических свойств, а также геометрии производимого материала позволяет использовать его в процессах с технологическим температурным диапазоном от 1750 до 1800 градусов Цельсия. Корундовые огнеупоры имеют стойкие характеристики при контактах с жидкими металлами и шлаками, расплавленным стеклом, кислотами и щелочами. Из них производят плиты для шиберных затворов сталеразливочных ковшей, изготавливают изделия для футеровки камер вакууматоров стали, а также высокотемпературные насадки воздухонагревателей, тигли для плавки стекол, металлов.
Неформовованные корундовые огнеупоры - мертели и бетоны с корундовым заполнителем, применяются в качестве футеровки патрубков вакууматоров стали, обмазочные массы - для изготовления и ремонта огнеупорных футеровок с рабочей температурой более 1700 градусов Цельсия. Так же полимербетоны потенциально представляют научный интерес, в том числе и с точки зрения их электроизоляционных прочностных свойств в условиях термостарения [19; 20].
Волокнистые огнеупоры представлены в виде формованных плит, листов, блоков с органической или неорганической связкой и неформованных изделий (вата, войлок, рулоны). Эти материалы изготавливают из высоко-глиноземного и глиноземного стекловолокна и из корундового или поликристаллического волокна, а также из 2гО2 и прочих оксидов. Они применяются для теплоизоляции и футеровки тепловых агрегатов, а также для заполнения компенсационных швов и температурных зазоров между металлической бронёй и кладкой.
К динасовым материалам относят сырьё, имеющее в своём составе оксид кремния 80-93 %, и чаще эти огнеупоры изготавливаются из кварцитов и кварцевых соединений. В порошок кварцита добавляют известковое молоко и железистые добавки, формуют на прессах и обжигают при температуре 1430-1460 градусов Цельсия. Эти огнеупоры применяют для футеровки коксовых, стекловаренных печей, воздухонагревателей, а также ряда плавильных агрегатов в цветной металлургии. Так же из измельчённого динасового огнеупора и кварцитов получают продукцию, применяемую при ремонте теплотехнических агрегатов: мертели, материалы для обмазок.
Доломитовые или известковопериклазовые огнеупорные изделия, производят из доломита (в том числе с добавлением периклазового порошка с массовой долей М§О: 10-50 % и СаО: 45-85 %). Эти изделия устойчивы в процессе взаимодействия с основными шлаками. Неформовованные огнеупоры этой категории применяются (в виде массы из обожженного доломита со связкой) для набивки блочных и монолитных футеровок электросталеплавильных печей, конвертеров, сталеразливочных ковшей. Безобжиговые известковопериклазовые огнеупорные изделия, изготавливаются на основе карбида кремния (Б1С): от 20 до 70 %. Такого рода изделия изготавливают методом формования порошков обожженного доломита на основе органической связки (каменноугольной смолы, пековой смолы) или с термической обработкой при температуре 300-600 градусов Цельсия. При этом достигается степень огнеупорности более 2000 градусов Цельсия.
Огнеупорными материалами с долей Б1С более 70 % называют карбидкремниевые. Карбидкремниевые огнеупоры применяют для изготовления футеровки электрических нагревательных колодцев, муфелей, рекуператоров агрегатов, производства цинка и алюминия,
циклонов трубопроводов. Этот вид огнеупоров на нитридной и оксинитридной связке используют также для футеровки нижней части шахты домен, печей. Неформованные изделия применяют в виде мертелей и масс при выполнении огнеупорной кладки3.
Магнезиальными огнеупорными изделиями являются, содержащие в своей основе, оксид магния (MgO). Они производятся из смеси обожженных и сырых материалов, которые в результате добавки связки проходят термообработку при температуре от 1500 до 1900 градусов Цельсия. Они демонстрируют высокую огнестойкость, и это позволяет применять их в процессах, взаимосвязанных с расплавом металла и шлаками, а также при футеровке теплотехнических агрегатов черной и цветной металлургии. Магнезиальные огнеупорные изделия бывают нескольких видов (рис. 10).
свойства и применение
Пористость открытая 22-28%, температура начала размягчения под нагрузкой - до 1610-1620°С.
Применяют для футеровки насадок регенераторов мартенов, и стекловарных печей, сталеразливочных ковшей (в т. ч. в
виде набивных масс), плавильных агрегатов цветной металлургии, а также для изготовления сталеразливочных стаканов.
Неформованные магнезиальносиликатные огнеупоры могут применяться как добавка в металлургических порошках.
Периклазохромитовые огнеупоры применяют для футеровки сводов сталеплавильных печей, вакууматоров
стали, кислородных конвертеров (горловина, летки), сталеразливочных ковшей (шлак, пояс), медеплавильных агрегатов, высокотемпературных обжиговых печей и др.).
Используют взамен более дорогостоящих магнезиальношпинелидных периклазохромитовых огнеупоров для футеровки менее ответственных частей (участков) сталеплавильных агрегатов, обжиговых печей и др. Применяют безобжиговые магнезиальношпинелидные огнеупоры для изготовления сталеразливочных стаканов.
Так же используют в металлургических агрегатах: в сталелитейных печах при футеровке сводов, в горловинах и летках кислородных конвертеров, в сталелитейных ковшах, в высокотемпературных печах.
Рисунок 10. Виды магнезиальных огнеупорных изделий (составлено авторами)
Магнезитоизвестковые огнеупоры производят из прошедшего обжиг доломита или из составов, в которые входят окислы магния и кальция. Такие огнеупоры служат для футеровки конвертеров.
Периклазовые огнеупоры - магнезиальные огнеупоры, содержащие более 85 % MgO. В состав входят периклазовый порошок и клеящая связка из лигносульфонатового сульфата магния (обжиг при температуре от 1600 до 1900 градусов Цельсия). Периклазовые огнеупорные
3 Самая полная информация про огнеупорные материалы! [Электронный ресурс]. - URL: https://ognevpor.ru/info-czentr/stati/ogneupornve-materialy (дата обращения: 21.05.2021).
состав
изделия применяют для футеровки стенок мартеновских печей, миксеров, печей для плавки меди и никеля, нагревательных высокотемпературных печей, леток кислородных конвертеров, а также в виде плит шиберных затворов сталеразливочных ковшей, стаканов для разливки сталей, пористых фурм для продувки стали газами и прочее. Неформованные периклазовые огнеупоры используют для изготовления мертеля, металлургических (заправочных) порошков, набивных масс для вакууматоров стали, индукционных печей. Периклазоуглеродистые огнеупоры изготавливаются из периклазового порошка с добавлением 6-25 % природного или искусственного графита и органической связки (например, фенольной порошкообразной с этиленгликолем или бакелита). Они производятся из спеченного и плавленого периклаза с добавлением 6-25 % графита (натурального или искусственного) и органической связки (фенолом с этиленгликолем или бакелита). Огнеупоры такого типа используются в промышленности для футеровки агрегатов, подающих газ в конвертерах со смешанной продувкой, а также участков стен мощных электродуговых печей. Применяются в производстве шиберных затворов, а также шлакового пояса электродуговых печей и сталеразливочных ковшей.
Алюмопериклазовые огнеупоры представляют в себе симбиоз качеств углеродсодержащих и высокоглиноземистых огнеупоров. Высокая термостойкость последних (более высокая, чем у огнеупоров основного состава) достигнута путём введения углеродного компонента. Данная категория огнеупоров изготавливается с использованием корунда, плавленого либо спеченного периклаза, алюмомагнезиальной шпинели, высококачественных спеченных бокситов и крупночешуйчатого графита с различными функциональными добавками. Содержание оксида алюминия (глинозём) А12О3 в них превышает 73 %. Эти огнеупоры выступают в качестве альтернативы к периклазоуглеродистым и высокоглиноземистым огнеупорам, в случае если их стойкость не удовлетворяет техническим условиям. Используются при футеровке сталеразливочных ковшей и кислородных конвертеров.
Периклазохромитовые изделия содержат более 60 % оксида магния (М§О) и 5-20 % оксида хрома (&2О3). Данные огнеупоры формуют и обжигают при температуре 1700-1850 градусов Цельсия. Для высококачественных периклазохромитовых огнеупорных изделий используют оксид магния чистотой более 96 % и концентраты хромита. Огнеупоры характеризуется высокой термостойкостью и стойкостью к фаялитовому шлаку. Они производятся из спеченного и плавленого периклаза с добавлением хромитовой руды. Содержание магнезита колеблется от 65 до 83 %, хромита - от 17 до 35 %.
Хромитопериклазовые огнеупоры применяются в цветной металлургии и используются для кладки высокотемпературных печей, в печах взвешенной плавки и обеднения шлаков, для футеровки отражательных печей, конвертеров. Применяются также в средней части насадок регенераторов, работающих при температурах от 700 до 1100 градусов Цельсия.
Смоломагнезитовые огнеупоры - это формованные на прессах изделия из порошка обожженного доломита (крупность зерен до 6-8 мм), смешанного при нагревании от 100 до 120 градусов с 4-6 % каменноугольной смолы или пека. Они имеют кажущуюся плотность 2800-2900 кг/м3, предел прочности при сжатии 2000-4000 МПа, устойчивы против основных шлаков. При добавке в массу магнезитового порошка изделие называются смолодоломитомагнезитовыми. Основное назначение смолодоломитового огнеупора -футеровка кислородных конвертеров.
Оксидными огнеупорами являются материалы, содержащие более 97 % высокоогнеупорных оксидов (ВеО, М§О, СаО, А12О3, СГ2О3, 2гО2, ТЮ2 и др.) или их соединений и твердых растворов. Формованные оксидные огнеупоры производят в основном из тонкозернистых порошков прессов, или литьем из суспензий с дальнейшим обжигом, а
неформованные оксидные огнеупоры - измельчением оксидов, обычно после предварительного обжига и введения добавок. Так же огнеупор изготавливается в виде изделий, которые формируются из порошков или суспензий под давлением. Изделия применяются как техническая керамика в качестве корпусов для измерительных приборов, контролирующих температурный, кислородный и другие режимы литейного процесса, а также для тиглей, вкладышей на разливе стали.
Углеродосодержащими огнеупорами являются изделия, преимущественно состоящие из свободного углерода или содержащие углерод в качестве основного компонента. Они отличаются высокой теплопроводностью, низким коэффициентом теплового расширения, стойкостью при взаимодействии с расплавами металлов и шлаками. К этому виду огнеупорных изделий относятся:
• Угольные, а также графитированные блоки, произведённые из смеси кокса, термоантрацита и связующего (применяются каменноугольная смола, битум, антрацитовое масло). Температура обжига таких блоков от 1100 до 1450 °С.
• Графитированные изделия из нефтяного кокса, имеющие графитовую структуру и низкое содержание золы. Температура обжига составляет более 2000 градусов Цельсия.
• Пирографит, который получают вследствие распада углеродосодержащего газа на поверхности с высокой температурой.
Углеродистые огнеупоры применяют для футеровки нижнего строения домен, печей, электротермических печей, агрегатов для плавки свинца, меди и др., а также для изготовления погружных стаканов, стопоров-моноблоков, вкладышей для изложниц, тиглей для плавки цветных металлов и др. Неформованные углеродистые огнеупоры из коксовых порошков на каменноугольной смоле используют для заполнения швов кладки, углеродсодержащие применяют для футеровки желобов домен, печей и др.
Цирконистые огнеупоры - это изделия, на основе бадделеита 2гО2 (67,1 % 2гО2) и циркона (2гБЮ4). Они характеризуются высокой огнеупорностью (до 2600°С), стойкостью при взаимодействии с расплавами металлов и шлаков, прочностью и высокой термостойкостью (при 2200-2400 °С).
а г.. с °
Е I
О S
- ~
Z а.
в Ä
£ §
О и
* «
а §
s Е Э-
оксидциркониевые (более 85 % Zr02)
бадде-леитокорундовые (20-85 % Z1O2 и до 65 % А1гОз)
цирконовые (более 50 % Zr02 и более 25 % Si20,)
оксидцирконии содержащие (менее 20 % ZrO2)
Рисунок 11. Классификация цирконистых огнеупоров (составлено авторами)
Высокоплотную керамику из 2гО2 применяют в виде чехлов термопар, фильтров для сплавов, а также нагревательных элементов при высоких температурах достигающих 2200 градусов Цельсия в печах с резистивным и индукционным нагревом. Зернистые огнеупоры из 2гО2 используют в устройствах для разливки стали, для футеровки агрегатов с температурой больше 1800 градусов Цельсия, тиглей для плавки ряда металлов и сплавов. Стаканы из циркона (в т. ч. с графитом) с добавлением пластифицированного компонента используют в
промежуточных ковшах при разливке стали. Цирконистые огнеупоры в зависимости от содержания ZrO2 имеют деление (рис. 11).
Бескислородные огнеупоры изготовлены из тугоплавких бескислородных соединений: карбидов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов. Технология бескислородных огнеупоров предусматривает приготовление порошков бескислородных соединений, формование из них изделий с добавлением связки и дальнейший обжиг при высоких температурах. В окислительной среде эти материалы имеют узкое применение.
Огнеупорные материалы широко применяются в отечественной промышленности. К примеру, сырьевая база Урала потенциально позволяет производить высокостойкие огнеупорные материалы и изделия. Например, применение местных глин возможно для получения огнеупорных материалов (при условии использования химических добавок, повышающих пластические и теплоизоляционные свойства) [21]. Необходимо отметить, что с точки зрения организации промышленного производства кианитовых концентратов Уральский регион является наиболее благоприятным. В нем сосредоточены основные потребители огнеупорного сырья. В Уральском регионе известно более 10 месторождений кристаллического и «аморфного» (скрытокристаллического) магнезита. Минерально-сырьевая база производства современных огнеупоров в Уральском регионе представлена таким сырьём, как: графит, магнезит, высокоглиноземистое сырье (в частности на основе минералов группы силлиманита, содержащих 62,9 % AhO3 и 37,1 % SiO2), высококачественное природное магнезиальносиликатное сырье (например, серпентиниты), доломит (более 15 месторождений), хромиты, циркон (более 10 месторождений и рудопроявлений, содержащих циркон в качестве основного полезного минерала или в виде минерала - спутника в комплексных рудах), пирофилит, алюмотермические шлаки [22; 11].
Вывод
В результате исследования можно сделать вывод, что современные строительные теплоизоляционные материалы представлены широким спектром применения различных технологий изготовления и состава сырья. Многие из них зарекомендовали себя надёжным элементом защиты теплотехнических агрегатов в агрессивной высокотемпературной среде. Огнеупорные материалы широко используются в металлургических агрегатах.
Наиболее высокие показали по температурным защитам, простоте использования и скорости производства, аварийных и плановых ремонтных работ показывает технология торкретирования. Здесь перспективным направлением может стать использование композиционных огнеупоров порошкового типа в процессе аддитивного строительства.
Применение комбинированных технологий изготовления теплоизоляционных огнеупорных материалов позволяет решать несколько системных задач: снижение стоимости, трудозатратности, увеличение межремонтных сроков, улучшение экологии.
Существуют реальные предпосылки для системной организации промышленного производства новых теплоизоляционных материалов в промышленных масштабах с использованием региональных ресурсов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пашков Е.И. Современные строительные теплоизоляционные материалы / Е.И. Пашков, М.Б. Пермяков, Т.В. Краснова // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2020. Т. 11. №2. С. 15-19. - URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_35617442_95016000.pdf (дата
обращения: 09.03.2021).
2. Пермяков М.Б. Современные строительные теплоизоляционные материалы / М.Б. Пермяков, Е.И. Пашков / В книге: Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Тезисы докладов 78-й международной научно-технической конференции. Магнитогорск, 20-24 апреля 2020. С. 485. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42796593.
3. Демин Е.Н. Новые высокотемпературные теплоизоляционные материалы / Е.Н. Демин, И.Д. Кащеев, В.К. Иванов // Новые огнеупоры. - 2012 - №10 - С. 1921.
4. Горячкин Р.Д. О возможности применения жаростойкого керамзитобетона в футеровочных конструкциях тепловых агрегатов / Р.Д. Горячкин, А.И. Хлыстов // В сборнике: Актуальные проблемы интеграции науки и образования в регионе. Материалы Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). 2018. С. 130-133. - URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_35542435_82264993.pdf (дата обращения: 09.03.2021).
5. Щукина Н.В. Расчетные исследования тепловой работы и совершенствование конструкции кольцевой печи ПАО «Челябинский трубопрокатный завод» для улучшения теплотехнических показателей ее работы / Н.В. Щукина, Н.А. Черемискина, Н.Б. Лошкарев, В.В. Лавров // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2019; 62(6): 431-437. - URL: https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-6-431-437 (дата обращения: 20.03.2021).
6. Никитин Д.А. Перспективы использования современных огнеупоров и теплоизоляционных материалов для сооружения теплоэнергетических объектов/ Д.А. Никитин, М.В. Леонов, Н.С. Эзерих, А.А. Бугаева // В сборнике: Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения. Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2018. С. 261-264. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35094644 (дата обращения: 21.03.2021).
7. Кащеев И.Д. Разработка огнеупорных бетонов алюмосиликатного и глиноземистого состава для тепловых агрегатов черной металлургии / И.Д. Кащеев, С.А. Поморцев, А.А. Ряплова // Новые огнеупоры. - 2014 - №7 - С. 15-18.
8. Пермяков М.Б. Assessment of reliability and accident risk for industrial buildings / М.Б. Пермяков, А.Н. Ильин, В.М. Андреев, К.М. Воронин, Т.В. Краснова. - DOI: 10.1051/matecconf/201825102007 // В сборнике: electronic collection. Editors:
A. Volkov, A. Pustovgar and A. Adamtsevich. / MATEC Web of Conferences. 2018. С. 02007.
9. Varlamov A.A. Security and destruction of technical systems / A.A. Varlamov, V.I. Rimshin, S.Y. Tverskoi // IFAC-PapersOnLine. 2018. Т. 51. №30. С. 808-811.
10. Перепелицын В.А. Минерально-сырьевая база производства современных огнеупоров (обзор) / В.А. Перепелицын, И.В. Юксеева, Л.В. Остряков // Огнеупоры и техническая керамика №5, 2008. С. 56-60. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15288892 (дата обращения: 02.04.2021).
11. Перепелицын В.А. Высококачественное природное огнеупорное сырьё Урала /
B.А. Перепелицын, И.В. Юксеева, Л.В. Остряков // Минеральное сырьё Урала №3, 2008. С. 14-30. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11699376 (дата обращения: 20.05.2021).
12. Герцык С.И. Современные принципы проектирования промышленных печей/
C.И. Герцык, В.К. Рапацевич // Технические науки - от теории к практике. 2017. №3 (63). С. 47-57. - URL:
https://www.elibrary.ru/download/elibrary_28926995_67458169.pdf (дата
обращения: 04.04.2021).
13. Пермяков М.Б. Аддитивные технологии в строительстве и дизайне архитектурной среды: настоящее и будущее/ М.Б. Пермяков, Т.В. Краснова,
A.В. Дорофеев // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2018. Т. 9. №2. С. 2-5. - URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_35617442_32176949.pdf (дата обращения: 04.04.2021).
14. E. Rukh Metallurgical refractory materials / Brief encyclopedia of modern ceramic materials, 1991.
15. Перепелицын В.А. Минеральный состав и применение высокоглиноземистого техногенного сырья / В.А. Перепелицын, В.А. Коротеев, В.М. Рытвин,
B.Г. Григорьев // Ежегодник-2010, Тр. ИГГ УрО РАН, вып. 158, 2011. - URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_16926558_31214272.pdf (Дата обращения: 10.04.2021).
16. Перепелицын В.А. Алюмофобность ферросплавных шлаков / В.А. Перепелицын,
B.М. Рытвин, В.Г. Игнатенко, О.А. Клинов // Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности: Тез. докл. международной научно-технической конференции: - Харьков: Каравелла, 2007.
C. 48-49.
17. Кащеев И.Д. Химическая технология огнеупоров / И.Д. Кащеев, К.К. Стрелов, П.С. Мамыкин. - М.: Интермет Инжиниринг, 2007 - 752 с. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19611961 (Дата обращения: 12.04.2021).
18. Плетнёв П.М. Корундовый огнеупорный материал на глиноземистой связке, стойкий к высокотемпературным деформациям / П.М. Плетнёв, В.М. Погребенков, В.И. Верещагин, Д.С. Тюлькин // Новые огнеупоры., №2, 2018., С. 47-52. - URL: https://newogneup.elpub.ru/jour/article/viewFile/939/853 (Дата обращения: 12.04.2021).
19. Ilin A.N. Regularities of changes in material properties for some polymer-concrete ratios / A.N. Ilin, M B. Permyakov, V.M. Andreev, T.V. Krasnova. - DOI: 10.1051/e3sconf/201911001009 // В сборнике: E3S Web of Conferences. 2018 International Science Conference on Business Technologies for Sustainable Urban Development, SPbWOSCE 2018. 2019. С. 01009.
20. Ilin A.N. Polymer-modified cement as a new level of electric insulation in electrical engineering systems / Ilin A.N., Chernyshova E.P., Permyakov M.B., Andreev V.M., Krishan A.L., Sabirov R.R. // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Т. 11. №1. С. 13-16.
21. Permyakov M.B. Selection of the material of the binder component for the hardening filler of anti-filtration curtains / Permyakov M.B., Krasnova TV. // В сборнике: XLVII International correspondence scientific and practical conference «European research: innovation in science, education and technology» London, 06-07 декабря 2018 года. 2018. С. 13-15. - URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_36623238_82775857.pdf.
22. Перепелицын В.А. Минерально-сырьевая база производства современных огнеупоров (продолжение) / В.А. Перепелицын, И.В. Юксеева, Л.В. Остряков // Огнеупоры и техническая керамика №6., 2008. С. 53-64. - URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_15288902_33279702.pdf (Дата обращения: 14.04.2021).
Pashkov Evgeny Ivanovich
Nosov Magnitogorsk state technical university, Magnitogorsk, Russia
E-mail: [email protected] РИНЦ: https ://elibrary. ru/author_profile. asp?id=939084
Permyakov Mikhail Borisovich
Nosov Magnitogorsk state technical university, Magnitogorsk, Russia
E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8015-7897 РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile. asp?id=535560 Researcher ID: https://www.researcherid.com/rid/AAL-1784-2021 SCOPUS: https://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=55966880300
Krasnova Tamara Viktorovna
Nosov Magnitogorsk state technical university, Magnitogorsk, Russia
E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1213-9005 РИНЦ: https://elibrary.ru/author profile.asp?id=703894 SCOPUS: https://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=57093425600
Protection of heat engineering units in an aggressive high-temperature environment with building heat-insulating materials
Abstract. Modernization of production with the use of modern refractory materials is a topical topic of modern scientific research. The main component of all heat engineering units and systems can be considered fire-resistant protection of the structures of the units and systems themselves from high temperatures and abrasive elements of various fractions. Work on the installation of refractory coatings involves the use of fire-resistant materials that prevent exposure to high temperatures and chemical reactions on the metal structures of units and systems, preventing loss of the set temperature in the technological production system.
The article provides an overview of building thermal insulation materials. Their qualities, advantages and specificity of the use of various compositions, the main technological processes for the production of refractories, their physicochemical and mechanical properties and types of raw materials used in the manufacture, and its resource potential are considered. The systematized material is classified and presented in diagrams and figures.
As a result of the study, the authors come to the conclusion that modern building thermal insulation materials are represented by a wide range of applications of various manufacturing technologies and the composition of raw materials, many of which have proven themselves to be a reliable element for protecting heat engineering units in an aggressive high-temperature environment. Refractory materials are widely used in metallurgical plants. Shotcrete technology shows the highest in temperature protection, ease of use and speed of emergency and planned repair work. Here, a promising direction can be the use of powder-type composite refractories in the process of additive construction. The use of combined technologies for the manufacture of heat-insulating refractory materials allows solving several systemic problems: reducing the cost, labor costs, increasing the turnaround time, improving the environment. The authors also come to the conclusion that at the moment there are real prerequisites for the systemic organization of industrial production of new thermal insulation materials on an industrial scale using regional resources.
Keywords: thermal insulation; heat engineering units; aggressive high-temperature environment; refractory; building materials; gunning; heat-resistant concrete
