Geum.ru

Учебное пособие разработано в соответствии с государственным стандартом специальности 050709 «Металлургия» госо рк 08. 084 2004 удк 666. 76: 669 (07)

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


3.7 Термостойкость огнеупоров
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8
^

3.7 Термостойкость огнеупоров


Растрескивание и откалывание огнеупора в результате появления температурных напряжений – разрушение весьма распространенное. Оно зависит от физико–химических свойств огнеупора, а также от конструкции футеровки, и особенно от теплового режима работы агрегата.

Несоответствие в ряде случаев термостойкости используемых огнеупорных изделий установленному тепловому и температурному режимам работы приводит к разрушению огнеупорной кладки печного агрегата.

Температурные напряжения возникают вследствие разности расширений соседних слоев в огнеупоре. Такая разность расширений может возникнуть, во-первых, при разнице температур соседних огнеупора и, во-вторых, при разнице коэффициентов теплового расширения соседних слоев огнеупора.

Первый случай наиболее типичен и распространен; второй – появление разницы в коэффициенте теплового расширения отдельных слоев огнеупора при одинаковых температурах – возникает в результате перерождения какого-либо (чаще всего поверхностного) слоя огнеупора при воздействии шлака и газовой атмосферы печи. Поэтому этот случай обычно переплетается с процессами шлакоразъедания и будет рассмотрен в разделе шлакоустойчивости.

Появление разницы температур между слоями огнеупора происходит при стационарном режиме работы теплового агрегата в случае одностороннего нагрева охлаждения футеровки (например, стен печей или закрытия огнеупором охлаждаемых поверхностей).

При быстром изменении температуры в печном пространстве (нестационарный тепловой режим) градиент температур в односторонне нагреваемых стенах может многократно возрасти, а в футеровках, обогреваемых со всех сторон (например, насадка регенераторов, разделительные стены и пр.), возникают изменяющиеся во времени перепады температур по толщине огнеупора.

Величина напряжений при перепаде температуры в изделиях, как и всяких напряжений, пропорциональна разности деформаций соседних слоев, помноженных на модуль упругости. Разность же деформаций соседних слоев пропорциональна разности их температур, коэффициенту линейного расширения и протяженности слоев (длине).

Сказанное иллюстрируется схемой (рисунок 21), приводимой Нортоном [54]



Рисунок 21 – Схема возникновения срезывающих напряжений в огнеупоре при наличии градиента температур


Два слоя огнеупора, находящиеся на расстоянии dх один от другого и отличающиеся температурой dt, характеризуются разностью деформаций αldt, где l – половина максимального размера изделия в плоскости, перпендикулярной градиенту температур.

Деформация сдвига, характеризуемая углом сдвига φ, равна, а напряжение сдвига произведению относительного сдвига или угла сдвига на модуль сдвига G (модуль II рода): .

Формула показывает, что температурные напряжения зависят не только от свойств материала (α, G ), но и конфигурации огнеупорного изделия (1).

Величину определяют для различных случаев нагревания изделия; в первую очередь она зависит от теплофизических показателей огнеупора.

Если огнеупор находится в стационарных тепловых условиях, то перепад температуры внутри него определяется коэффициентом теплопроводности λ и величиной проходящего теплового по тока . Так работает футеровка большинства печей при стационарном тепловом режиме.

Однако наиболее высокие температурные напряжения возникают при нестационарных тепловых процессах — при нагреве и охлаждения кладки. В нестационарных тепловых условиях работает, например, кладка нагревательных колодцев или насадка регенераторов мартеновских печей. В этом случае величина , возникающая в определенные периоды нагрева или охлаждения, зависит от коэффициента температуропроводности.

Другими факторами, определяющими внутренний перепад температуры в изделии являются внешние условия подвода тепла, характеризуемые коэффициентом теплоотдачи α вт/ (м2·град).

Вполне естественно, что при искусственном обдувавши в особенно при погружении в воду (когда значение α становится весьма большим) величина повышается температурные напряжения в изделии возрастают.

Аналитически величину часто определяют сложными расчетами. Если процесс деформации футеровки протекает в течение времени, более длительного, чем τ, то напряжения в пластическом теле будут ниже, чем в упругом. В обратном случае пластичность не устранит разрушения футеровки.

Когда величина возникающего теплового напряжения превышает допустимую для огнеупорного материала, то наступает разрушение. Поэтому одним из показателей, влияющих на термическую стойкость огнеупора, является механическая прочность.

Суммируя все сказанное, можно отметить, что термическая стойкость огнеупоров повышается с увеличением теплопроводности (температуропроводности) и механической прочности и уменьшается с повышением коэффициента линейного расширения и модуля упругости.

Винкельман и Шотт [55] предложили следующую формулу для характеристики термостойкости материала


(10)


где р – временное сопротивление разрыву, н/м2;

– коэффициент температуропроводности, м2/сек;

α – коэффициент теплового расширения;

Е – модуль упругости, н/м2.

Следует отметить, что формула справедлива для материалов весьма однородной и плотной структуры.

При наличии каких-либо пор или посечек термостойкость может повыситься, несмотря на понижение механической прочности. Образующиеся пустоты — поры часто позволяют отдельным зернам огнеупора свободно расшириться без накопления напряжений. Такие поры и посечки могут играть роль своего рода микроскопических температурных швов.

При большой пористости, однако, термостойкость изделия сильно снижается вследствие снижения механической прочности. Наличие в структуре огнеупора застывшей стекловидной фазы, находящейся в хрупком состоянии, снижает его термическую стойкость.

При пиропластическом состоянии в изделии не могут возникнуть большие температурные напряжения, если только колебания температуры в толще огнеупора не захватывают хрупкого состояния. Это объясняется тем, что любое возникающее напряжение гасится за счет пластической деформации. Поэтому иногда в формуле под G подразумевают модуль пластичности.

Работами ОРГРЭС по исследованию состояния огнеупорных масс при высоких температурах показано, что величина возникающего напряжения увеличивается с повышением вязкости в пластическом состоянии и с ускорением деформации. Такая зависимость позволяет связать величину термических напряжений в пластическом теле со скоростью изменения температуры. Отношение напряжений, возникающих при равенстве относительных деформации – упругой и пластической, определяется формулой


(11)


где Рупр – напряжение, возникающее при упругой деформации,

н/см2;

Рпл – напряжение, возникающее при пластической

деформации, н/см2;

τ – время деформации, сек;

Е – модуль упругости, н/см2;

η – вязкость в пластическом состоянии, н· сек/м2.

Из формулы следует, что при больших величинах вязкости и быстрых деформациях величина напряжения в пластическом состоянии может достигать величины напряжения при упругой деформации и даже превышать ее. Для некоторых огнеупорных материалов это наступает, если деформация происходит за время, меньшее 4 – 5 сек.

Величина возникающих температурных напряжений при переменном температурном режиме играет большую роль для футеровок целого ряда тепловых агрегатов, работающих при переменных тепловых условиях. Резкое изменение температуры по сечению огнеупора наблюдается в различных охлаждаемых конструкциях и теплообменниках, к которым относятся стенки керамических рекуператоров, печные и топочные стены, закрытие топочных экранов, охлаждаемые футеровки и другие.

Существует ряд методов определения термостойкости огнеупоров. Все эти методы не могут точно характеризовать разнообразные условия работы футеровки тепловых агрегатов н дают лишь сравнительные показатели [11].

В научно – исследовательских работах часто применяют образцы в виде кубиков и цилиндров, а в качестве критерия термостойкости – потерю механической прочности образца после 10 теплосмен. При этом образцы нагревают не односторонне, а равномерно. Для определения потери механической прочности часть образцов испытывают на временное сопротивление сжатию до нагрева, другую часть после 10-кратного нагрева и охлаждения.

Для испытания сталеразливочного припаса сифонных изделий и стопорных трубок Всесоюзным институтом огнеупоров были разработаны специальные методы [53]. Сифонный припас, до которому происходит разливка стали, испытывают, нагревая изнутри. Это осуществляют надвигая изделие на стержень, температура которого достигает 850°С, и выдерживая в таком состоянии в течение 5 мин. Термостойкость оценивают по водопроницаемости образующихся трещин. Для этого образец после испытания опускают в воду и измеряют время заполнения ею внутреннего цилиндрического пространства. За другой критерий при таких испытаниях было принято время появления трещины при надвигании изделия на разогретый стержень. Между этими показателями и возникающими температурными напряжениями прямую связь установить трудно.