Авторы: Alexey Khlystov, Mikhail Konnov, and Vladimir Shirokov
Автор перевода: О.С. Завгородняя
Источник: MATEC Web of Conferences, 2017
Alexey Khlystov, Mikhail Konnov, and Vladimir Shirokov. Ресурсо– и энергосберегающие технологии огнеупорной футеровки тепловых агрегатов. В статье приводится обоснование выбора связующих веществ, используемых в композициях огнеупорного бетона. Разработаны композиции покрытий на основе связующих, способных образовывать защитное покрытие с высокими адгезионными свойствами к любым огнеупорным футеровочным материалам. Представлены результаты проверки эффективности технологии в производственной среде.
Технический прогресс в строительстве промышленных печей и других тепловых агрегатов, связан с внедрением новых технологий и современных огнеупорных футеровочных материалов: цельная керамика и огнеупоры, сформованные из расплава; сборные и монолитные огнеупорные бетоны; сухие смеси для нанесения ремонтных масс путем помола и увлажнения; пропиточное покрытие для увеличения времени работы футеровки тепловых агрегатов.
Значительные изменения в области создания огнеупорных футеровочных материалов ориентированы, прежде всего, на жаростойкий бетон с применением различных связующих [1 – 5]. Их использование в строительстве и ремонте футеровок промышленных печей и других тепловых агрегатов можно механизировать, а также снизить их трудоемкость. Более того, использование термостойкого бетона в облицовочных конструкциях может значительно увеличить стойкость и долговечность футеровки путем уменьшения количества швов по сравнению с кирпичной версий этих конструкций.
Несмотря на несомненные преимущества жаропрочного бетона, в отечественной практике огнеупорные материалы (шамот, магнезит, хром-магнезит, муллит и т. д.) по–прежнему часто используемые для строительства футеровок печей, работающих во многих отраслях промышленности. Несмотря на различные агрессивные среды, которые в дополнение к температурным эффектам оказывают значительное разрушительное воздействие на цельные огнеупоры, огнеупорная керамика в виде кирпичей и других элементов остается традиционно широко используемым материалом для изготовления футеровки многих тепловых агрегатов. В связи с этим, очень актуальной проблемой является разработка эффективных ресурсо– и энергосберегающих технологий ремонта теплоизоляционных прокладок, позволяющих продлить их срок службы [6 – 10].
Одним из направлений развития технологии строительных материалов и технологии конструкционных материалов, является внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий, в том числе эффективное использование местных материалов и промышленных отходов. В Самарской области существует большое количество химических и нефтехимических, металлургических комплексов и отраслей промышленности, связанных со строительными материалами, которые производят большие объемы минеральных побочных продуктов и отходов, которые характеризуются высоким уровнем огнестойкости, температуры плавления и т. д. К ним относятся алюмохромовые отработавшие катализаторы, высокоглиноземистые суспензионные (пастообразные) отходы, отходы огнеупорных производств, а также отходы кирпичных заводов [10 – 12].
Использование этих соединений в ремонтных огнеупорных смесях (огнеупорный бетон, огнеупорная литейная смесь и пропиточные покрытия, набивные смеси и жидкие адгезивы для структурной и химической модификации керамических огнеупоров) позволяет создавать высокоэффективные технологии для реконструкции печей, также позволяет продлить срок службы огнеупорной футеровки.
Технологии, применявшиеся ранее для повышения устойчивости и долговечности футеровки тепловых агрегатов с использованием жаростойких композиций на различных связующих, не привели к значительному увеличению срока службы тепловых единиц. Различные пластичные смеси применялись на ремонтных участках футеровки в виде накладки без учета коэффициента теплового расширения основного облицовочного материала и ремонтных конструкций, что заставляло тепловой блок остановиться после нескольких запусков, т. е. после очень короткого периода работы [7 – 9].
Исследовательские задачи по обеспечению эффективной технологии ремонта футеровки в плане значительного увеличения срока ее службы и эксплуатации теплового блока следующие:
Силикатный расплав, в результате частичного плавления глинозема, проникает в поры огнеупорного шамота. Шамотный кирпич в футеровке пропитывается силикатным расплавом до определенной глубины в результате такого воздействия. По толщине облицовки из шамотного слоя, зональная структура образуется с различным тепловым расширением. Это явление в конечном итоге приводит к внутренним напряжениям и отслаиванию отдельных зон шамотного огнеупора [7].
В связи с тем, что тепловое расширение оказалось основной причиной отказа однослойных огнеупорных материалов, проводились дилатометрические исследования для определения коэффициентов теплового расширения отдельных зон. Результаты испытаний показали большую разницу в значениях коэффициента теплового расширения этих зон. Переходная зона – это шамот, в которую плавится расплав, а его структура характеризуется более высокой плотностью и отсутствием пор.
Разница в коэффициентах теплового расширения сформированных зон в шамотной футеровке приводит к уничтожению огнеупоров и способствует быстрому разрушению футеровки в целом. Шамотный огнеупорный раствор для укладки огнеупоров в зоне обжига не полностью спекается, что приводит к его отслаиванию и образованию трещин. Это также ускоряет процесс разрушения облицовки, приводя, в некоторых случаях, к выпадению изношенных кирпичей из конструкции облицовки вращающейся печи.
Таким образом, как в цельных керамических огнеупорах в футеровках большинства тепловых единиц, так и во вращающихся обжиговых печах для сжигания глины, кладки соединений являются узкими местами этих конструкций. Поэтому технологические разработки для повышения стойкости и долговечности футеровок, изготовленных с использованием шамотных огнеупоров, должны быть направлены на увеличение физических и тепловых свойств огнеупоров (долговечность, термостойкость) и улучшение характеристик адгезии кладочных растворов.
Анализ связующих и жидких связующих, используемых в огнеупорных композитах, показывает, что фосфатные связующие обладают самой высокой химической реакционной способностью. Использование ортофосфорной кислоты определенной плотности для структурной и химической модификации путем пропитки огнеупора типа ШA (Национальный ГОСТ 390–96) дало положительный результат. В таблице 1 приведены результаты изменения плотности и долговечности образцов после пропитки раствором H3PO4 с последующей термообработкой и обжигом.
Таблица 1 – Влияние пропитки шамотных огнеупоров ортофосфорной кислотой на физические и тепловые параметры
| Тип огнеупоров | Средняя плотность, г/см3 (в числителе) и прочность на разрыв при сжатии, МПа (в знаменателе) огнеупорных образцов после пропитки и последующего нагревания до температуры, °С | ||||
| 200 | 500 | 800 | 1200 | 1500 | |
| Огнеупор типа ША, не подвергается пропитке | 1,89/18,7 | 1,95/19,1 | 1,97/19,3 | 2,04/19,7 | образцы деформируются |
| Огнеупор типа ША, пропитанный H3PO4 | 2,11/45,4 | 2,19/42,9 | 2,11/38,7 | 2,08/39,6 | 2,04/41,3 |
Таблица 1 показывает, что пропитка шамотных огнеупоров ортофосфорной кислотой оказывает положительное влияние на ее физические и тепловые параметры. Прочность на сжатие шамотного огнеупора увеличивается почти в 2 раза, а его плотность увеличивается на 1,1 – 1,5 %. В дополнение к увеличению долговечности фосфатные связующие могут обеспечить улучшенную химическую стойкость к различным расплавам при высоких температурах, включая диоксид кремния, которые, возможно, образуются в зоне горения печи [1].
Таким образом, исследование микроструктуры шамота огнеупора с покрытием показало, четкое деление на три зоны: зону чистого шамота, переходную зону и зону расплава. Переходная зона представляет собой слой, в который H3PO4 проникает капиллярным всасыванием, а после термообработки образуется плотная структура без открытых пор.
Дилатометрическое исследование огнеупорных защитных покрытий, проведенных для определения КТР, выявило ряд композиций огнеупорных фосфатных покрытий, которые могут быть использованы для покрытия вращающейся печи для обжига глины. Согласно исследованиям специфических свойств фосфатных связующих, они обладают высокой механической прочностью, химической стойкостью, огнестойкостью, улучшенной адгезией к керамическим огнеупорам и износостойкостью к шлакам и их расплавам.
В дополнение к огнестойким фосфатным покрытиям для ремонта облицовки вращающихся печей обжига глины с большими фрагментами разрушения, мы разработали огнеупорные набивные смеси, которые создают надежные слои без усадки на рабочей части облицовки.
Набивные массы, в отличие от разработанного термостойкого бетона, предназначенные для ремонта кладок, имеют ряд специфических отличий, связанных с технологическими особенностями их герметизации при реставрационных работах в печах и других тепловых единицах. Уплотнение набивных смесей (монолитный бетон) во время ремонта может быть осуществлено только методом трамбовки, следствием чего является уменьшение количества затирочной жидкости, необходимой для высококачественной бетонной упаковки.
После упрочнения ремонтного слоя набивочных смесей его обрабатывают пропитанными композициями для покрытия, чтобы избежать выпадения бетонного фрагмента футеровки из-за динамических нагрузок.
Учитывая это, мы использовали метод математического планирования эксперимента для корректировки составов огнеупорных набивочных смесей фосфатного упрочнения для ремонта не только во вращающихся печах, но также в системах нагрева, плавки и теплотехники и цветной металлургии.
Ниже приведены оптимальные составы смесей.
Состав 1:
Состав 2:
В настоящее время многие промышленные предприятия нуждаются в безотходных технологиях, т. е. в своих структурах образующиеся побочные продукты должны быть переработаны в материалы, которые будут необходимы далее, либо для ремонта различного технологического оборудования, либо для изготовления строительных материалов, соответствующие конкретному нормативному документу, возможно, Национальному государственному стандарту.
Если мы перейдем к опыту ведущих или развитых стран, мы увидим, что их отношение к любым промышленным отходам, производимым даже в небольших количествах, совершенно иное, чем в России, где систематически организуются свалки или места захоронения отходов.
В этих странах (США, Канада, Япония, Великобритания, Франция и др.) проблемы промышленной утилизации отходов становятся актуальными уже на стадии лабораторных или экспериментальных исследований даже при первых испытаниях, когда новая технология только вводится в производство, и невозможно избежать образования определенных побочных продуктов, то есть промышленных отходов.
В настоящее время экологическая ситуация в России определяет необходимость внедрения широкого использования промышленных отходов, что приводит к снижению затрат на электроэнергию, объемов перевозок, стоимости строительных материалов, площади земли, занятой местами захоронения, и во многих случаях исключает создание новых карьеров.
Поэтому многие из технологических решений, представленных в этой статье, позволят большинству предприятий перенести свои средства на реализацию определенных разработок по использованию собственных отходов для производства специальных материалов и решению их собственных насущных потребностей.
В статье представлены реальные, то есть необходимые рекомендации по использованию конкретных промышленных отходов, для рационального использования производственных мощностей.