Шамотні вогнетриви для футеровки мартенівських печей (стр. 2 из 7)
Слід відзначити, що сьогодні регенератори використовують лише для підігрівання повітря, оскільки у зв'язку з переходом мартенівських печей на природний газ потреба в газових регенераторах відпала.
Шамотну цеглину застосовують в нижніх рядах насадок регенераторів, де це дозволяють температурні умови. В вогнетривкій промисловості для кладки регенераторів застосовують шамотні вогнетриви марки ШАМ.
Згідно з ГОСТ 6024 шамотні вироби для кладки мартенівських печей повинні задовольняти вимогам, які представлені в таблиці 1.1.
Таблиця 1.1 - Фізико-хімічні властивості шамотних вогнетривів для кладки мартенівських печей
| Марка | Масова доля Al2O3, не нижче | Вогнетривкість, не нижче | Відкрита пористість, не більше | Границя міцності при стиску Н/мм2 |
| ШАМ-1ШАМ-2 | 3030 | 16901690 | 2430 | 2015 |
Основними руйнуючими факторами в регенераторах є дія газів і пилу шихтових матеріалів, газів, які виносяться потоком з плавильного простору печі та зміна температур при нагріваані та охолодженні потоку газів. При зміні температури в регенераторах вогнетриви то нагріваються гарячими газами, що відходять і акумулюють тепло, то віддають його повітрю і газу, що поступає в мартенівську піч для горіння і при цьому охолоджуються.
а) б)
а) регенератор, б) схеми кладки насадок
Рис. 1.2. – Схема регенератора
Шамотні вогнетриви інтенсивно оплавляються, тому цеглина насадки, окрім достатньої вогнетривкості, повинна володіти хорошою теплопровідністю – бути щільною, і в той же час добре переносити різкі зміни температури тобто мати високі показники термічної стійкості [6,7].
В той же час насадки грають вельми важливу роль в службі мартенівської печі як теплотехнічного агрегату. Враховуючи збільшені температури диму, що відходить, і збільшену у 4-8 раз кількість плавильного пилу в умовах використання кисню, доцільно використовувати в насадках регенераторів високостійкі основні вогнетриви, які мають високі значення температуропровідності, акумуляції тепла і теплового опору; їх сумарний коефіцієнт теплообміну вищий, ніж в шамотних і динасових.
Перспективними вогнетривами для насадок є форстеритові вироби, вживання яких замість шамотних і динасових дозволяє збільшити температуру нагріву на 250-300 0С, значно знизити товщину цеглини насадки без втрат будівельної міцності, вони стійкіші оскільки менше реагують з плавильним пилом. Вірно вибране співвідношення головних розмірів насадки регенераторів і переріз її комірок забезпечує потрібний тепловий режим роботи мартенівської печі.
2. Діаграма стану системи Al2O3−SiO2
Система Al2O3−SiO2 вперше була детально вивчена Н. Боуеном і Д. Грейгом, по даним яких у системі існує тільки одно бінарне з'єднання – муліт, склад якого відповідає формулі 3Al2O3·SiO2. По Н. Боуеном і Д. Грейгу муліт плавиться конгруентно при 1810ºС, розкладаючись на корунд
Al2O3 та рідину складу приблизно 45% (мас.) SiO2 та 55% (мас.) Al2O3.Більш пізніше дослідження, проведені радянськими ученими Н. А. Тороповим і Ф. Я. Галаховим, дозволили внести істотні зміни до діаграми стану системи Al2O3−SiO2. Перш за все було показано, що виділення корунду при плавленні муліту (тобто його інконгруентне плавлення) спостерігається лише в тих випадках, коли не приймається заходів проти випаровування кремнезему при високих температурах з розплаву мулітового складу. В умовах же, коли розплави оберігаються від можливого часткового випаровування кремнезему, муліт плавиться не розкладаючись, тобто характеризується конгруентнім плавленням. Крім того, було виявлено, що муліт утворює з корундом тверді розчини і визначена область їх існування [8].
Діаграма стану системи Al2O3−SiO2 по Н. А. Торопову і Ф. Я. Галахову приведена на рисунку 2.1
Рисунок 2.1 - Діаграма стану системи Al2O3−SiO2
Згідно діаграмі Al2O3−SiO2 єдиною твердою фазою в напівкислих, шамотних і каолінових вогнетривах є муліт 3Al2O3 ·2SiO2, який утворюється при температурі 1100 ºC за реакцією
3[Al2O3∙SiO2]→3Al2O3∙SiO2+4SiO2 (2.1)
Мулліт містить 72% Al2O3 і 28% SiО2, кристалізується в ромбічній сингонії, габітус кристалів – голки, призми, волокна; щільність 3,03г/см3; твердість по Моосу 6,. температура плавлення 1910ºС.
Із зростанням температури кількість мулліту безперервно збільшується і досягає максимуму при 1250−1350ºС. Витримка при температурах вище 1200ºС не впливає на збільшення виходу мулліту, але сприяє зростанню його кристалів [7,8].
У рівноважному стані з твердою фазою при температурах вище 1595ºС знаходиться певна кількість рідкої фази. Нижня температура появи розплаву в системі 3Al2O3·SiO2 складає 1595ºС. Евтектіка при цій температурі містить 5,5% 3Al2O3 і 94,5% 2 SiO2.
Присутні в глинах домішки знижують температуру появи розплаву, при цьому хімічний склад природних домішок при загальній їх кількості в межах 2−5% не має великого значення.
Співвідношення твердої і рідкої фаз в системі Al2O3−SiO2 може бути визначено за правилом важеля.
У реальних полікомпонентних системах і при більшому вмісті інших компонентів співвідношення Al2O3:SiO2 менш різко впливає на збільшення рідкої фази.
Розгляд діаграми рівноваги системи Al2O3−SiO2 наводить до висновку про те, що у міру підвищення вмісту Al2O3 у алюмосилікатних вогнетривах їх вогнетривкість і температура початку розм'якшення зростатимуть. Проте ці властивості алюмосилікатних вогнетривів залежать не лише від кількості Al2O3, але і від суми плавнів і частково від їх хімічної природи. Важливим чинником є в'язкість розплаву, що утворюється при нагріванні.
У реальних полікомпонентних системах рівновага не завжди досягається. Так, вогнетривкість і наростання кількості рідкої фази в напівкислих виробах залежать від величини зерен кварцу.
Кварц, що є домішкою вогнетривких глин і каолінів, при високих температурах частково переходить у склоподібну фазу, частково в кристобаліт і частково залишається в непереродженому виді, тому що Al2O3 істотно сповільнює переродження. Окремі кристали муліта не утворюють між собою прямого зв'язку [4].
При випалі глин і каолінів у них одночасно з мулітом і кристобалітом утвориться аморфна частина і рідка фаза (після охолодження – склофаза). Рідка фаза в непластичному матеріалі може частково розподілятися в залежності від температури випалу – вона виходить на поверхню пор або часток.
Причиною утворення склофази є те, що в природних глинах крім каолініту звичайно присутні й інші мінерали. Найбільше часто: кварц, слюда, пірит, оксиди заліза, кальцит, доломіт, гіпс, анатаз і ін. Розплави домішок містять іони Na+, K+, Ca2+ і Mg2+, що у реакціях з SiО2 уже при 1000ºС утворять в’язку рідину, що не кристалізується при охолодженні і твердіє у вигляді скла.
Характерний склад склоподібної фази наступний, мас. %: Si2 – 80; Al2O3 – 10-17,7; Fe2O3 – 0,7-2,6; Ti2 – 1,1-3,2; Ca – 0,4-1,7; Mg – 0,4-0,9; K2O+Na2O – 1,3-5,4 [1].
При випалі шамотних брикетів, які містять глину в них будуть протікати наступні перетворення.
В інтервалі 450 – 6000С з каолініту – основного мінералу глин і каолинів видаляється хімічно зв'язана вода внаслідок розкладання каолініту за реакцією
 |
Al2O3·2SiО2·2Н2О [Al2O3·2SiО2] + 2Н2О
каолініт метакаолініт (2.2)
Реакція йде з поглинанням тепла (ендотермічний ефект). [Al2O3·2SiО2] – метаколініт є аморфный продукт, який представляє не механічну, а більш тісну суміш глинозему і кремнезему с взаємним проникненням компонентів і частковим зберіганням структури каолінітової гратки [3 - 7].
Глинисті матеріали, які позбавлені хімічно зв'язані води, втрачають пластичність. При температурах 400 - 10000С відбувається дисоціація карбонатів, окислювання сульфідів і вигоряння органічних домішок; у результаті спостерігається втрата у вазі й, незважаючи на деяку усадку, збільшення пористості. При температурах 800 – 10000С починається інтенсивне спікання глин, що супроводжується зменшенням пористості й збільшенням міцності.
При подальшому підвищенні температури протікають реакції утворення муліту
~925ºС
2(Al2O3·2SiО2) → 2Al2O3·3SiО2 + SiО2
метакаолінит кремнієва шпінель (2.3)
~1100ºС
2Al2O3·3SiО2 → 2(Al2O3·SiО2) + SiО2
кремнієва шпінель псевдомуліт (2.4)
1100 – 1400ºС
3(Al2O3·SiО2) → 3Al2O3·2SiО2 + SiО2
псевдомуліт муліт кристобаліт (2.5)
Кремнезем, що звільнився перетворюється у кристобаліт. Утворення муліту йде у твердому середовищі. Біля зародка муліту виникає дворик кристалізації, у якому в міру утворення муліту зменшується вміст Al2O3 і збільшується вміст SiО2. Фаза, збіднена глиноземом, дифузійним або капілярним шляхом відділяється від кристалика муліту і в остаточному підсумку зосереджує на поверхні зерен і пор, тобто переходить у зв'язування. Така диференціація SiО2 і Al2O3 є природною властивістю вогнетривких глин і каолінів і залежить від структури глинистої речовини, кількості й сполуки домішок.