Введение

Помимо обычных материалов, употребляемых в машиностроении, в электропечестроении применяются некоторые специфические материалы, предназначенные для работы при высоких или повышенных температурах. Наличие в электропечах зон с высокими температурами требует, с одной стороны, материалов, способных работать при этих температурах, с другой - материалов, изолирующих эти зоны в тепловом отношении от остальных частей и окружающего пространства. К таким материалам относятся огнеупорные и теплоизоляционные материалы, жароупоры и материалы для нагревательных элементов.

1. Материалы, используемые в электропечестроении

Во всякой электрической печи имеется рабочая камера для нагрева или плавления обрабатываемых в печи материалов. Рабочая камера, область печи с наиболее высокими температурами, отделена от окружающего пространства и внешних конструкций материалом, способным работать при этих температурах и быть достаточно прочным, чтобы выдерживать те нагрузки и удары, которыми он подвергается в печи. Кроме того, он должен плохо проводить тепло, снижая до минимума тепловые потери камеры в окружающее пространство. Материалов, которые удовлетворяли бы всем этим требованиям, в природе не существует. Плотные, механически прочные керамические материалы сравнительно хорошо проводят тепло, пористые легкие, плохо проводящие тепло материалы недостаточно прочны. Поэтому футеровку высокотемпературных и среднетемпературных печей выполняют минимум из двух слоев: внутреннего - огнеупорного, способного работать при рабочей температуре печи и достаточно механически прочного - этот слой воспринимает все нагрузки от нагреваемых изделий и нагревателей; наружного - теплоизоляционного, освобожденного от несения каких-либо нагрузок, кроме собственного веса, но зато обеспечивающего уменьшения до минимума тепловых потерь.

При очень больших для керамических материалов нагрузках применяют упрочнение кладки печи при помощи креплений из жароупорных сталей. Так, при больших пролетах делают подвесные своды на жароупорных балках, из жароупорных сталей выполняют ограждения, защищающие нагреватели и кладку от ударов со стороны загрузки, всякого рода экраны в печах, герметизированные ящики и муфели. Кроме того, части механизмов, находящиеся внутри печи и служащие для перемещения изделий (конвейеры, направляющие рельсы, поддоны и т.п.), также выполняют из жароупорных сталей.

В особую группу должны быть выделены материалы для нагревательных элементов, так как к ним предъявляются специфические требования, касающиеся их электрических свойств.

2. Огнеупорные материалы

К огнеупорным материалам для электропечей предъявляют следующие требования:

Достаточная огнеупорность.

Достаточная механическая прочность при высоких температурах.

Способность выдерживать, не растрескиваясь, резкие колебания температуры (стойкость к термоударам).

Сопротивляемость химическим воздействиям при высоких температурах.

Достаточно малая теплопроводность.

Малая теплоемкость.

Малая электропроводность, как при низких, так и при высоких температурах.

Дешевизна и доступность материалов.

Огнеупорностью в соответствии с ГОСТ 4069 - 69 называется свойство материала противостоять не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность материала определяется на сделанном из него образце "конусе", имеющем форму усеченной трехгранной пирамиды. Под действием нагрева материал образца постепенно размягчается, и его вершина начинает склоняться к основанию. Температура "падения" образца, когда его вершина достигнет уровня основания, принимается за огнеупорность образца. Так как эта температура может меняться при изменении скорости нагрева, то устанавливают ее не непосредственным измерением, а "пироскопами".

У огнеупорных материалов огнеупорность лежит между 1580 и 17700С. Материалы с огнеупорностью больше 17700С, называются высокоогнеупорными.

Некоторые материалы, являясь достаточно огнеупорными, теряют свою прочность задолго до температуры размягчения и поэтому могут работать механически нагруженными лишь до ограниченных температур. Для того чтобы охарактеризовать способность материала работать в нагруженном состоянии при высоких температурах, определяют в соответствии с ГОСТ 4070 - 48 температуру его деформации под нагрузкой 196,2 кПа. При этом отмечают температуру начала размягчения (НР) образца и температуры его сжатия 4 и 40%.

У некоторых материалов диапазон между началом размягчения и 40% -ным сжатием достаточно большой, и температурный интервал равен 100 - 2000С. У других этот интервал измеряется лишь 20 - 300С (рис.1). Динас и магнезит сохраняют прочность почти до температуры разрушения, другие же материалы теряют прочность задолго до наступления разрушения.

Способность выдерживать, не растрескиваясь, резкие колебания температуры особенно нужна в материалах, применяемых в печах, работающих периодически, а также в зонах с резкими колебаниями температуры. Для определения стойкости к термоударам кирпич быстро нагревают с торца в электрической печи до 8500С, охлаждают в проточной вод, вновь нагревают и так до потери им 20% начальной массы из-за скалывания кусков. Таким образом, стойкость материала к термоударам оценивается по числу водяных теплосмен, которые он выдерживает, данные для некоторых термоупорных материалов даны в табл.1.

Таблица 1. Стойкость к термоударам огнеупорных материалов

Иногда стойкость материала к термоударам определяют по числу воздушных теплосмен, которые он выдерживает.д.ля этого раму с кирпичами подвергают сначала одностороннему нагреву, а затем охлаждению вентилятором. Это испытание является менее жестким.

Сопротивляемость химическим воздействиям при высоких температурах является также весьма важным свойством для огнеупоров. Необходимо, чтобы огнеупорные материалы не вступали в химические соединения с обрабатываемыми в печи изделиями или с материалом нагревательных элементов, а также с атмосферой печи, так как это опасно не только для самих огнеупоров, но может вывести из строя нагреватели печи или привести к браку изделий. В некоторых печах нагреваются и расплавляются кислые материалы, а в других - основные; очевидно, что и огнеупоры этих печей также должны быть соответственно кислыми в первом случае и основными во втором во избежание химических реакций с этими материалами или шкалами.

Рис.1. Температуры деформации некоторых огнеупоров.

1 - шамотный кирпич класса А; 2 - шамотный кирпич класса Б; 3 - полукислый; 4 - динасовый; 5 - муллитовый; 6 - магнезитовый.

Малая теплопроводность требуется от огнеупорных материалов, так как они отделяют нагретую камеру печи от окружающей среды и через них из камеры проходит поток тепла. Хотя эти потери ограничиваются в основном теплоизоляцией печи, а не огнеупорным слоем, все же температурный перепад в последнем часто является достаточно заметным, а главное он снижает максимальную рабочую температуру теплоизоляции и тем самым увеличивает срок ее службы.

Малая теплоемкость огнеупорных материалов обеспечивает уменьшение аккумулированного футеровкой тепла. Правда, иногда значительная аккумуляция тепла кладкой является положительным фактором, стабилизирующим тепловой режим печи, однако большей частью она приводит к существенному перерасходу энергии, особенно при частых разогревах.

Малая электропроводность огнеупоров желательна, потому что в электрических печах сопротивления они могут применяться как электрические изоляторы для нагревательных элементов, что удешевляет и упрощает кладку. Наконец, требование дешевизны и доступности выдвинуто потому, что огнеупоры являются массовыми материалами, потребляемыми в больших количествах не только при изготовлении печей, но и их эксплуатации. Особенно много огнеупоров потребляют дуговые сталеплавильные и рудотермические печи.

Огнеупорные материалы применяются в виде сплошных и пористых кирпичей и фасонных камней. Фасонные камни изготавливаются самых различных конфигураций и размеров, причем, как правило, чем больше размер камня, тем труднее его изготовить и тем он дороже, но зато тем надежнее кладка, набранная из таких камней.

Огнеупорные материалы применяются иногда и в виде порошка, огнеупорных бетонов, набивных масс и обмазок, а также в виде мелких готовых деталей - трубок, крючков, втулок и т.п., главным образом в электрических печах сопротивления в качестве изоляторов нагревателей.

Огнеупоры являются массовыми материалами, поэтому значительное применение нашли лишь такие соединения, которые широко распространены на земной поверхности и могут добываться непосредственно из карьеров. Исключением являются некоторые высокоогнеупорные материалы, отличающиеся весьма ценными свойствами, но дорогие и редкие или получаемые искусственным путем.

Основой огнеупорных и высокоогнеупорных материалов являются три огнеупорных окисла - кремнезем, глинозем и окись магния - периклаз. Они распространены в природе, образуя друг с другом и другими веществами многочисленные соединения. Особенно широко используется система "кремнезем - глинозем".

2.1. Огнеупорные изделия

Наибольшие применения в электрических печах сопротивления нашла группа шамотных изделий с содержанием глинозема от 35 до 45%. Шамотными называются изделия, изготавливаемые из огнеупорных глин или каолинов, смешанных с шамотом, т.е. с предварительно обожженными в кусках теми же глинами. Это наиболее распространенный вид огнеупорного материала. Чем больше глинозема в глине, тем выше огнеупорность получаемых изделий. В электрических печах желательно применять шамотный кирпич первого сорта с содержанием не менее 38% глинозема.

Изготовлять огнеупорные изделия непосредственно из сырой глины нельзя, так как она при обжиге дает очень большую усадку и изделия растрескиваются. Поэтому глину предварительно обжигают в комках примерно 13000С и получают, таким образом, шамот. Этот шамот после дробления и помола смешивается с предварительно подсушенной глиной. Полученная смесь после увлажнения проходит глиномешалку и предварительно формуется в ленточных прессах. Затем производится допрессовка сырца в прессах давлением 2-4 МПа, а его сушка и обжиг в печи 1350 - 14000С в течении трех - пяти суток в зависимости от типа печи.

При этом способе пластичного прессования масса увлажняется до 16 - 20%. При полусухом прессовании влажность ее составляет лишь 8 - 9%, но изделия прессуют при давлении около 20 МПа.

Для изготовления фасонных изделий, а также изделий ответственного назначения количество шамота увеличивают до 80 - 85%, снижая соответственно содержание в массе глины.

Такие многошамотные изделия прессуют при давлении 30 - 50 МПа и получают изделия высокой плотности и прочности. Для многошамотных изделий усадка в обжиге не превышает 0,5 - 1,0%, что обеспечивает сохранение их формы и точность размеров деталей.

Шамотные кирпичи имеют светло-желтый цвет, равномерный зернистый излом; масса стандартного кирпича 3,2 - 3,3кг. По ГОСТ 390 - 69 шамотные изделия по своей огнеупорности делятся на три класса: класс А имеет огнеупорность не ниже 17300С; класс Б - не ниже 16700С; класс В - не ниже 16100С. Однако рабочая температура шамота намного ниже, так как он теряет свою механическую прочность уже при 1300 - 14000С; предельные рабочие температуры шамота 1350 - 14500С.

Шамот имеет сравнительно малый коэффициент расширения и хорошо выдерживает резкие колебания температуры. В зависимости от способа изготовления стойкость изделий к термоударам составляет:

Пластичное прессование……………8 - 15 водяных теплосмен

Полусухое прессование……………. .15 - 25. То же

Пневматическое трамбование………25 - 30

Многошамотные…………………….50 - 100

Шамотные изделия имеют низкую электропроводность, что позволяет использовать шамот в электрических печах одновременно и как огнеупорный, и как электроизоляционный материал.

Шамот является наиболее распространенным огнеупорным материалом, он широко применяется в электропечестроении, особенно в строительстве печей сопротивления. Так как эти печи работают в основном при температурах не выше 13000С, то огнеупорный и механические свойства шамота вполне удовлетворяют предъявляемым этими печами требованиям. Наоборот, для дуговых и индукционных печей шамот во многих случаях оказывается недостаточно огнеупорным и его применение ограничивается менее ответственными или наружными частями футеровки.

Шамотно - каолиновые изделия изготавливаются из каолиновых глин, имеющих повышенное содержание глинозема, причем их подвергают более высокому обжигу. Благодаря этому они имеют несколько большую огнеупорность и увеличенную температуру деформации под нагрузкой. В таблице 2 дается сравнительная характеристика шамотных шамотно - каолиновых изделий.

С увеличением содержания глинозема огнеупорность изделий повышается, поэтому весьма заманчивым является использование минералов с высоким содержанием глинозема. Такими минералами являются силлиманиты или аналогичные им минералы кианиты андалузиты. При обжиге при температуре свыше 15500С в этих минералах образуются муллит и свободная кремнекислота, образующая вместе с плавнями стекловидную фазу. Муллит содержит уже 72% глинозема и 28% кремнезема и его огнеупорность равна 18700С, однако присутствие стекловидной фазы в муллитовых изделиях снижает их огнеупорность.

Таблица 2. Сравнительные характеристики шамотных и шамотно-каолиновых изделий.

Добытые материалы после предварительного обжига и помола смешиваются со связующими веществами, формуются, подвергаются сушке и обжигаются при температуре не ниже 15500С. В результате получаются силлиманитовые изделия, отличающиеся хорошими огнеупорностью и механической прочностью при высоких температурах.

Еще более высококачественные изделия изготавливают из плавленого муллита, получаемого расплавлением боксита в присутствии кокса древесных опилок в электрической дуговой печи. Полученный материал после размельчения смешивается с глиной, формуется и обжигается при 1500 - 17000С.

Страницы: 1, 2