Особенности, применение и условия службы огнеупорного кирпича

Условия службы огнеупорного кирпича ША в сталеплавильных печах

Огнеупорные изделия, применяемые в сталеплавильных печах изначально должны обладать не только высоким коэффициентом термической и химической стойкости, а также низкой способностью к газопроницаемости и эрозии вследствие значительных перепадов температуры и воздействию на них химических веществ, образующихся в процессе расплава металла и шлака. По этим причинам, основным направлением увеличения срока эксплуатации сталеплавильных печей является оптимизация качественных характеристик огнеупорных кирпичей таких как: высокая аккумуляция тепла, износостойкость и долговечность, устойчивость к тепловым ударам и агрессивным элементам термохимического воздействия. Данному набору требований полностью удовлетворяет шамотный кирпич (ША), который широко используется в сталеплавильной промышленности, а также очень популярен в домашнем быту при строительстве печей, дымоходов, каминов, бань.
Максимальный порог теплового воздействия шамотного кирпича находится в пределах 1580 – 1770 градусов по Цельсию, что обуславливается наличием в его составе 70% шамотного порошка и 30% огнеупорной глины. Этот кирпич отлично справляется с широким диапазоном температурных колебаний: резким тепловым повышением температуры и последующим охлаждением. Также шамотный кирпич наиболее устойчив к воздействиям извести, щелочи, шлака и непроницаем для вредных элементов сгорания. По этим причинам шамотный кирпич ША становится незаменимым огнеупорным материалом, который пользуется повышенным спросом в работе самых разных тепловых агрегатов.
Однако, шамотные изделия в процессе длительной эксплуатации сталеплавильного производства при температурах, которые превышают их максимально допустимый обжиг (1350 – 1500 градусов по Цельсию) дают некоторую дополнительную усадку (утрата объема и увеличение в плотности). Так что в условиях значительных перегревов, кладка из шамотного кирпича деформируется и теряет свой запас прочности. Коэффициент дополнительной усадки напрямую зависит от состава материала и температуры обжига шамотных изделий. С наращиванием содержания шамота огнеупорность этого кирпича закономерно возрастает, а технологические параметры, обеспечивающие более износостойкую структуру материала, повышают и температурный порог начала деформационного размягчения. Таким образом, особым условием продолжительной работы кирпича шамотного и оптимизации его качественных характеристик имеет температура обжига. Шамотные материалы, обожженные в температурном диапазоне ниже спекания исходных глин, имеют большую дополнительную усадку, чем высокообожженные.
Также, при иных равных особенностей работы сталеплавильных печей следует учитывать такие существенные условия в эксплуатации шамотного кирпича как шлакоустойчивость и стойкость к агрессивной среде. Устойчивость к шлаку и стойкость к агрессивным элементам шамотного кирпича определяет его структура, уровень плотности и химический состав. В процессе службы шамотного кирпича на его поверхности, при контакте с агрессивной средой, формируется слой разнородного состава из продуктов взаимодействия элементов среды (реагентов) и огнеупорным материалом. При воздействии данных мощных факторов сталеплавильного производства, шамотный кирпич изнашивается без скалывания, а путем постепенного оплавления, разрушения эрозией и шлаком. Поэтому надо всегда учитывать уровень пористости шамотного кирпича. Для уменьшения разрушающего воздействия необходимо стремится уменьшать общую пористость шамотного кирпича, а не только кажущуюся.

Отличие огнеупорного легковесного ШЛ кирпича от шамотных ША

Главными отличиями кирпича (ШЛ) от кирпича (ША) являются меньший вес, меньший процент содержания шамота и глины в его составе, более низкий порог максимальной температуры применения, низкая теплопроводность, более пористая структура, а также другие физико-химические отличия, такие как кажущаяся плотность, коэффициент линейного расширения.
Шамотный кирпич ШЛ в отличие от кирпича ША – легковесен, о чем сообщает вторая литера Л его маркировки. В его производстве применяют обычный и специальный пористый шамот, содержание которого составляет 15 – 25 % в массе, огнеупорную глину с добавлением других пород, например – перлита. Именно поэтому шамотный кирпич ШЛ рассчитан на применение более низкого допустимого порога температуры от 1150 – 1300 градусов по Цельсию в отличие от кирпича ША. Низкая теплопроводность и малый коэффициент линейного расширения кирпича ШЛ позволяют использовать его при облицовке тепловых агрегатов, а легковесность дает широкие возможности для кладки горизонтальных рядов, футеровки промышленных печей, устройства каминов, домашних печей и дымоходов. Кроме того, низкая теплопроводность шамотного кирпича ШЛ дает дополнительную возможность значительно увеличивать скорость разогрева и остывания печи, что в свою очередь позволяет на порядок сокращать общий объем топлива.

Применение кирпича шамотного в строительстве печей

Шамотный кирпич обладает отличными техническими характеристиками, такими как термостойкость, шлакоустойчивость, газонепроницаемость и высокими защитными функциями при взаимодействии с агрессивной средой. Все эти исходные свойства шамотного кирпича делают его основным материалом при строительстве тепловых агрегатов.
По условиям использования огнеупорных изделий в сталеплавильных печах выделяют две зоны. Нижняя зона это горн, район фурм, заплечики и верхняя включает распар, шахту и колошник. Условия применения огнеупорных материалов в нижней зоне печи характеризуются самым высоким температурным режимом (1300 – 1800 градусов по Цельсию) и, соответственно – износом. На что в равной степени влияет интенсивное воздействие шлаков, паров щелочей, угарного газа. Эти участки печи определяют весь срок ее работы. Поэтому здесь применяют шамотный кирпич с высоким содержанием каолина (белой глины). Верхняя зона печи не подвергается таким сильным тепловым ударам как нижняя. В этих участках температура колеблется от 200 – 1300 градусов по Цельсию. Здесь огнеупорные материалы подвержены механическому износу и химической коррозии вследствие воздействия газов и паров. Поэтому в этой зоне такие параметры как пористость, размер пор, газонепроницаемость, прочность огнеупорного кирпича играют первостепенную роль. Здесь также применяют шамотный, плотный кирпич с большим содержанием каолина.

Условия эксплуатации шамотного кирпича в печах

Применение шамотного кирпича в различных тепловых установках позволяет реализовать приоритетную цель металлургической промышленности – аккумуляцию и поддержание тепла на необходимом производственном уровне.
В процессе продолжительной службы шамотного кирпича в условиях применения постоянных температур его теплопроводность повышается на 10 – 15 %, а в условиях работы переменных температур, наоборот – понижается вследствие образования микротрещин в его материале. Поэтому лучшие результаты в производительности сталеплавильных печей и увеличение цикла эксплуатации шамотных материалов достигаются при постоянной работе, а не переменной, по причине отсутствия резких перепадов температурного режима, что в свою очередь определяют такие условия как: температурный режим, рабочее время, химический состав среды, механические напряжения, действие различных элементов теплового процесса.
Для оптимизации работы шамотного кирпича в печах проводят исследования физико-технических и химико-минералогических процессов, происходящих в огнеупорных изделиях под влиянием вышеуказанных факторов. Разрабатывают методы защиты огнеупорных материалов и делают рекомендации по выбору и созданию новых огнеупорных изделий, технические свойства которых соответствовали современным стандартам работы. Анализ условий эксплуатации шамотных изделий, выполняет роль «обратной связи» с технологией огнеупорных материалов.
На срок службы огнеупоров во многом влияют производственные условия. Он может варьироваться от 3 до 10 лет в футеровки доменной печи и до 40 – 1500 ч в зонах движения стали. В ковшах и миксерах от 20 до 1500 мин при работе в продувочных фурмах и шиберных затворах. От условий эксплуатации значительно зависят расход огнеупоров на единицу продукции (кг/т стали), их технико-экономическая эффективность.

Продолжительность работы огнеупорного кирпича ША, ШБ в индукционных печах

В индукционных сталеплавильных печах металл интенсивно перемешивается, что обуславливает быстрый износ футеровки. Рабочая поверхность футеровки тигельной печи имеет температуру расплавленного металла, в то время как наружная сторона нагревается до 200 – 300 градусов по Цельсию. Поэтому в огнеупорной футеровке индукционных печей не должно быть сквозных трещин или пор, а материал футеровки должен обладать высокой термостойкостью и постоянством объема в процессе эксплуатации. Выбор огнеупорных материалов, применяемых в данной зоне печи достаточно разнообразен в зависимости от выплавляемого металла либо сплава. Шамотные огнеупоры марки ША и ШБ, которые удовлетворяют этим требованиям, чаще всего, используются для выплавки цинка и алюминия, благодаря своим высоким качественным характеристикам.
Для выплавки цинка используют шамотный кирпич из состава 70 % шамота каолинового, 20 % огнеупорной глины и 10 % каолина, что дает среднее число плавок – 7000 и максимальное – 12000.
Для выплавки алюминия используют состав 65 % шамота, 25 % огнеупорной глины и 10 % бария с жидким стеклом, что дает среднее число плавок – 1000 и максимальное – 2000. Также применяют состав 50 % шамота, 20 % кварцита, 20 % огнеупорной глины и 10 % бария, что повышает среднее число плавок до 2600 и максимальное до 5300.
Стабильная работа индукционной печи в пределах 300 плавок занимает приблизительное время 3-4 месяца.