книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии

торкретирования наносится рабочий торкрет-слой (4). Если арматурная футеровка (тол­ щина 120-150 мм) характеризуется высокой плотностью, механической прочностью

ивысокой стойкостью (до нескольких сотен плавок), то рабочий слой (40-50 мм) от­ личается достаточно высокой пористостью (40-50 %), низкой теплопроводностью, механической прочностью и стойкостью не выше 10-12 плавок. Теплозащитная крышка промковша (5) футерована высокопористым (теплоизоляционным) бетоном алюмо­ силикатного состава и выполняется или методом литья (при достаточно высоком со­ держании ВГЦ и воды) или набивной. С целью повышения стойкости рабочего и ар­ матурного слоя футеровки в месте падения струи расплава устанавливают бойную плиту (б), которая должна характеризоваться максимальной плотностью, прочностью

иизносоустойчивостью. Для обеспечения требуемого гидродинамического режима и улучшения режима работы в промковше устанавливают перегородочные плиты (по­ роги) преимущественно высокоглиноземистого состава (7). Как бойные плиты, так и перегородочные плиты устанавливают в виде предварительно отформованных и тер­ мообработанных бетонных изделий. Как показала практика промышленных испыта­ ний на НТМК, для этой цели оптимальными являются высокоглиноземистые керамобетонные блоки (плиты), полученные на ВКВС боксите с применением корундового заполнителя. Важной составной частью футеровки промковша является и гнездовой блок (8). Последние могут устанавливаться как в виде предварительно изготовленных изделий, например, из керамобетона [2.34], так и изготавливаться “по месту” методом набивки по шаблону.

2.6. Преимущества и проблемы применения

неформованных огнеупоров

Увеличение относительной доли производства и потребления неформованных ог­ неупоров обусловлено рядом неоспоримых их преимуществ. Последние могут рас­ сматриваться с точки зрения как производителя, так и потребителя. Обобщающие дан-

* Высокая благодаря эффективным способам футерования и футеровочному оборудованию.

ные по их эффективности представлены в табл. 2.9, явившейся итогом анализа произ­ водства и применения неформованных огнеупоров в Японии в период до 1980 г. [2.19].

Согласно данным [2.19], преимущества неформованных огнеупоров, с точки зрения производителя, состоят в следующем:

1.Повышение производительности (сокращение затрат труда). Согласно данным [2.9], в Японии производство огнеупорных штучных изделий составляет 5-20 т на человека в месяц. Производство же неформованных повышается до 40-100 т. Боль­ шую роль здесь играет возможность автоматизация технологических процессов и их непрерывность, что гораздо труднее реализовать при производстве штучных изделий.

2.Сокращение расхода энергии. В зависимости от вида огнеупоров на производство неформованных огнеупоров удельные энергозатраты в 5-6 раз, а затраты технологи­ ческого топлива в 10-20 раз ниже, чем в случае штучных.

3.Снижение издержек производства. Последнее, кроме отмеченных факторов (п. 1, 2), обусловлено упрощенной технологией (отсутствием дорогостоящих прессов, про­ цесса обжига), большим выходом годного продукта (в производстве штучных огне­ упоров брак может быть существенным), благоприятными условиями создания по­ точных процессов.

4.Уменьшение складских запасов и сроков хранения. При производстве обычных

(штучных) огнеупоров каждым предприятием производится широкая номенклатура изделий различных форм. При этом многие виды изготовляются в относительно не­ большом количестве, а процесс их производства длителен. И в то же время необходи­ мы складские запасы изделий, так как заказы потребителей необходимо выполнять без задержек. Неформованные традиционные огнеупоры можно изготавливать в зна­ чительных количествах, так как они имеют большую область применения (могут при­ меняться для футеровок различных агрегатов и габаритов). Учитывая, что продолжи­ тельность технологического процесса для неформованных огнеупоров невелика, от­ падает необходимость в создании запасов. Благодаря изложенному, удельные произ­ водственные площади в технологии неформованных огнеупоров в 3 раза ниже.

5.Экологические преимущества. Несмотря на то, что при производстве неформо­ ванных огнеупоров используются сыпучие материалы (порошки и заполнители) все технологические операции можно осуществлять в закрытой системе. При получении же керамобетонов применяют мокрые (беспыльные) процессы. Отсутствие высоко­ температурных процессов (выделение газов типа С 02) также улучшает экологические условия.

Преимущества неформованных огнеупоров, с точки зрения потребителей, состоят

вследующем:

1.Большая свобода проектирования. Можно выполнить монолитную футеровку или изготовить крупные фасонные блоки любой формы.

2.Бесшовность футеровки. Применение огнеупорных бетонов позволяет решить проблему так называемой “шовности” обычной огнеупорной кладки. Разрушение пос­ ледней, как правило, начинается по швам, так как материал шва (мертель) характери­ зуется существенно большей пористостью, чем огнеупор. В монолитной же футеров­ ке швы полностью отсутствуют.

3.Упрощение ремонтных работ, экономия материалов. При помощи неформован­ ных материалов представляется возможным осуществлять ремонт (в том числе “горя-

нию доли неформованных огнеупоров (до 60 % в последние годы). Таким образом, переход на неформованные огнеупоры способствует снижению общего энергопотреб­ ления в производстве, хотя некоторые процессы в их производстве отличаются боль­ шей энергоемкостью по сравнению с формованными. Во-первых, применение нефор­ мованных огнеупоров обычно предусматривает их увлажнение и перемешивание при изготовлении футеровки, а обезвоживание и горячая сушка (разогрев перед службой) требуют затрат энергии. Во-вторых, в сравнении с формованными изделиями, в про­ изводстве неформованных огнеупоров применяют большую долю энергоемкого сы­ рья, например, карбида кремния, корунда, периклаза.

Таким образом, неформованные огнеупоры по сравнению с формованными отлича­ ются наличием энергоемких процессов вне основного производства. Однако, темпе­ ратура сушки неформованных огнеупоров невысока, и при использовании малоэнер­ гоемкого сырья они по сравнению с формованными огнеупорами являются энерго­ сберегающими [2.38].

В рассмотренном аспекте весьма эффективно применение отходов огнеупоров в производстве неформованных огнеупоров [2.39]. В частности, успешно опробована добавка в бетонную смесь для футеровки сталеразливочных ковшей отходов торкре­ тирования промежуточных ковшей (материал “отскока”, который не сцепляется с ос­ новной футеровкой при торкретировании).

Посредством применения различных типов неформованных огнеупоров (прежде всего — бетонов) решается проблема так называемой “шовности” обычной огнеупор­ ной кладки. В процессе службы (например, сталеразливочных ковшей) разрушение кладки, как правило, начинается по швам. Обусловлено это тем, что безобжиговый материал шва характеризуется существенно меньшей плотностью и прочностью, чем материал соответствующего огнеупорного кирпича. В качестве примера на рис. 2.6 по данным [2.6] приведены данные по изменению прочностных свойств (а иэг) материа­ лов мертеля после различных температур их термообработки.

С учетом того, что первичный разогрев огнеупорной футеровки осуществляют до 900-1000 °С, можно предположить, что минимальной прочностью швы футеровки ха­ рактеризуются на первой стадии их эксплуатации. Но даже после термообработки при

Рис. 2.7. Сопоставительный пример кирпичной (У) и монолитной (блочной) футеровки (2)

высоких температурах их прочность существенно ниже, чем таковая для обжиговых огнеупоров различных классов.

Простой и наглядный пример эффективности применения огнеупорных бетонов взамен кладки из огнеупорного кирпича приведен на рис. 2.7.

В случае кирпичной футеровки для выполнения последней с площадью 1 м2 требу­ ется 63 стандартных кирпича, что соответствует наличию в кладке 252 швов. В случае же предварительно отформованного блока с той же рабочей площадью при установке количество швов уменьшается до 4.

Несмотря на многие преимущества, существуют проблемы, связанные с применени­ ем неформованных огнеупоров [2.3, 2.18].

По сравнению с формованными (обжиговыми) огнеупорами, многие традиционные неформованные (в том числе бетоны) имеют пониженные характеристики, например, по показателям огнеупорности и химической стойкости. Обусловлено это, как прави­ ло, соответствующими свойствами вяжущей системы бетонов.

Некоторые проблемы связаны с технологией. Монолитная футеровка, образно го­ воря, представляет собой большое фасонное изделие, изготавливаемое непосредствен­ но (например, в сталелитейном цехе). Поэтому весьма актуальны вопросы правильно­ го применения огнеупорных бетонов, их однородность, технологичность (удобоукла- дываемостъ). И если для обжиговых огнеупоров на всех технологических стадиях производителем осуществляется надежный контроль и, как следствие, воспроизводи­ мы результаты службы, то в случае применения бетонов может наблюдаться двух- и трехкратный разброс по их стойкости. Обусловлено это тем, что часть технологичес­ ких процессов в последнем случае выполняется у потребителя. А между тем даже незначительные нарушения, например, в дозировке воды, условий смешения и уклад­ ки обуславливают понижение ресурса службы футеровки. В качестве примера на рис. 2.8 показано влияние влажности исходных формовочных систем на показатели пористости и предела прочности при сжатии а сжкак бетонов, так и торкрет-масс.

Немаловажное значение при применении неформованных огнеупоров имеет также температура воды, помещения и футеруемого агрегата (например, арматурной футе­ ровки сталеразливочного ковша).

Важнейшим технологическим параметром бетонов является продолжительность их твердения, определяющая, например, время извлечения шаблона при изготовлении

Рис. 2.8. Влияние технологической влажности смеси IVна открытую пористость Птки предел проч­ ности при сжатии стсж бетонов: У, 2— низкоцементный бетон в системе А120 3 (40,6 %) - 8Ю2 (54,1 %) - СаО (1 %) после сушки (У) и термообработки при 1000 °С (2); 3,4 — бетон в той же системе с обыч­ ным содержанием цемента (4,3 % СаО) после сушки (3) и термообработки при 1000 °С (4); 5 — вибролитой улучшенный материал на основе 2г8Ю4; б— он же при нанесении торкретированием; 7

— обычный бетон из 2г8Ю4 для торкретирования

монолитных футеровок. Кинетика твердения в значительной степени зависит от тем­ пературы. Например, при бетонировании желоба доменной печи при повышении тем­ пературы оставшейся футеровки с 20 до 50 °С время извлечения шаблона уменьшает­ ся с 4 до 2 ч, а при 80 °С — до 1ч [2.3].

Характерной особенностью низкоцементных огнеупорных бетонов (например, по сравнению с обычными на ВГЦ или с набивными массами) является пониженная их пористость и более тонкокапиллярная структура (рис. 2.9).

Эти факторы, в свою очередь, определяют ее проницаемость, что оказывает суще­ ственное влияние на условия сушки и начального этапа термообработки этих бето­ нов. Особые сложности отмечаются при сушке толстостенных крупногабаритных футеровок.

Важными технологическими параметрами рассматриваемых бетонов с точки зре­ ния режимов сушки являются содержание в них цемента и условия (температура, про-

Рис. 2.9. Интегральные кривые пористости низкоце­ ментного литого огнеупорного бетона (У) и набивной массы аналогичного состава (2); 4п— диаметр пор

Рис. 2.10. Кривые распределения температуры ( и внутреннего давления р в блоке низкоцементного огнеупорного бетона на глубине 30 (7) и 90 мм (2) в процессе сушки по режиму (3)

должительность) предварительной выдержки. Указанные факторы определяют, в час­ тности, содержание химически связанной жидкости, усложняющей процесс бездефек­ тной сушки. Массовые потери при прокаливании для низкоцементных и обычных на ВГЦ огнеупорных бетонов составляют 1,15 и 4,5 % соответственно.

При неоптимальном режиме сушки и термообработки в бетонах образуются сколы, трещины и происходит явление так называемого “взрывного растрескивания”, сопро­ вождающееся сильным шумом [2.32]. Причиной взрывного растрескивания считает­ ся превышение критического давления пара внутри бетона в процессе сушки. Экспе­ риментальные исследования по изучению условий сушки и оптимизации процесса проведены в ряде работ, обобщенных в [2.3]. В них решались проблемы, связанные с измерением давления пара внутри бетона при сушке, изменением характеристик бе­ тонов, перемещением (миграцией) влаги, установлением оптимального режима и тем­ пературы окончания процесса.

В качестве примера подобных исследований на рис. 2.10 показана кинетика прогре­ ва и внутреннего давления в блоке низкоцементного бетона с пористостью 14,1 % и с изг = 7 Н/мм2 (в высушенном состоянии) на различной его глубине.

Видно, что максимальные внутренние напряжения, которые наиболее опасны с точ­ ки зрения эффекта взрывного растрескивания, для различных глубин в бетоне соот­ ветствуют различным участкам режима сушки.

К недостаткам всех типов низкоцементных бетонов относится экологический фак­ тор, связанный с применением у потребителя сухих порошков. В этом отношении у керамобетонных масс, поставляемых в увлажненном состоянии, есть несомненные преимущества.

2.7. Огнеупорные бетоны

В соответствии с определением, принятым в отечественной литературе [2.40-2.41],

огнеупорными бетонами называют безобжиговые композиционные материалы с ог­ неупорностью от 1580 °С и выше, состоящие из огнеупорного заполнителя, вяжуще­ го материала, добавок и пор, затвердевающие при нормальной или повышенной тем­ пературе и обладающие ограниченной усадкой при температуре применения.

В определении “огнеупорный бетон” (РеиегЬе(оп), принятом в Германии, под после­ дним подразумевают материал, полученный по бетонной технологии на основе тепло- и жаростойких заполнителей.... и предназначенный для службы в области температур 350-2000 °С [2.5, с. 19], т.е. это определение охватывает и класс жароупорных вето- нов. Согласно определению [2.42, с. 4], жароупорным бетоном называют специаль­ ный вид бетона, способный сохранять в заданных пределах основные физико-механи­ ческие свойства при длительном воздействии на него высоких температур. Согласно [7, с. 119], огнеупорные бетоны определяются как огнеупоры с огнеупорностью выше 1500 °С.

Созданию современных огнеупорных бетонов предшествовал 100-летний эволюци­ онный путь их развития. Согласно данным [2.5, с. 22], первый патент Германии, каса­ ющийся создания жароупорного бетона, выдан 23.10.1901 г. Фредерику Валеру за № 134820 (“СетепФеЮп ипб УегГаЬгеп гиг Аизк1е1с1ип§ уоп Ееиегип§8ап1а8еп”). Этот бетон состоял из цемента и природных жаростойких заполнителей.

ВРоссии (в Санкт-Петербурге) в 1903 г. строителем Житкевичем была опубликова­ на статья “Бетон как огнеупорный строительный материал” (цитируется по [2.5]).

Начало развития огнеупорных бетонов в США (фирма “РНЬпсо”) относится к двад­ цатым-тридцатым годам. При этом в качестве вяжущего использовали как цемент, так

ижидкое стекло [2.19].

В1925 г. в США и в 1926 г. в Западной Европе были запатентованы гидравлически твердеющие огнеупорные бетоны, из которых сначала изготовляли блоки для футе­ ровки туннеля горелки [2.19]. Развитие и расширение применения огнеупорных бето­ нов в Японии в конце 40-х годов было связано с тем, что на военных базах США паровые котлы футеровали только огнеупорными бетонами и пластичными массами. Кроме того, футеровку всех паровых котлов тепловых электростанций также осуще­ ствляли огнеупорными бетонами.

Систематическое исследование жароупорных бетонов в СССР было начато в 1942 г. [2.42].

Прогресс в области гидравлически твердеющих огнеупорных (или жаростойких) бетонов в значительной мере был определен соответствующими достижениями в об­ ласти создания новых цементов и повышения их свойств. Важнейшим этапом при этом явилась разработка и применение высокоглиноземистых цементов (фирма “ЬаГаг^е”, Франция).

Однако традиционные огнеупорные бетоны гидратационного твердения, которые содержат значительное количество ВГЦ, характеризуются значительными недостат­ ками. Как показывает анализ составов, структуры и свойств традиционных огнеупор­ ных бетонов, носителем огнеупорных свойств в них является заполнитель. Роль вяжу­ щего сводится к обеспечению необходимой транспортной монтажной прочности бе­ тонов после твердения и сушки. При последующем нагреве до температур, предше­ ствующих спеканию, в вяжущем, как правило, протекают необратимые деструктив­ ные процессы. С учетом того, что в структуре бетона вяжущее совместно с тонкомо­ лотыми добавками является матричной (непрерывной) фазой, отмечается существен­ ное понижение термомеханических характеристик материала. Поэтому основным на­ правлением в совершенствовании известных и создании новых огнеупорных бетонов является предельно возможное снижение содержания в них традиционных (напри­