Новые теплоизоляционные смеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые теплоизоляционные смеси

Введение

Изыскание пригодных для металлургического производства недефицитных, не требующих специальной подготовки, теплоизоляционных материалов (ТИМ) и создание на их основе формуемых малокомпозитных, дешевых, но эффективно действующих теплоизоляционных смесей (ТИС) высокой огнеупорности для утепления прибылей стальных отливок и слитков с целью уменьшения их размеров (массы) и увеличения коэффициента использования жидкого металла - весьма актуальная задача. В этом плане значительный интерес представляют топливные золы теплоэлектростанций (ТЭС) (в первую очередь, золы-уносы) - продукт высокотемпературного обжига минеральной части топлива в процессе сжигания углей и сланцев, 90 млн т которого ежегодно выбрасывают в отвалы.

Золошлаковые отходы некоторых месторождений углей имеют высокую температуру плавления (1400...1500°С), низкую объемную массу (600...700 кг/м³) и хорошие теплоизоляционные свойства. Однако единый нормативный документ на них еще не разработан.

В этой работе поставлена задача изучить:

· физико-химические и теплофизические свойства зол-уносов ТЭС крупнейших месторождений твердых топлив с целью выбора месторождений и ТЭС, золы которых отвечали бы комплексу требований на огнеупорные ТИМ;

· разработать на их основе новые малокомпонентные и дешевые составы ТИС и оценить эффективность их действия.

1.Анализ основных свойств золошлаковых отходов ТЭС

Для анализа основных свойств золошлаковых отходов ТЭС было выбрано восемь (из 40) крупнейших месторождений твердых топлив: 1 - Донецкое АШ, 2 - Донецкое ГД, 3 - Подмосковное, 4 - Львовско-Волынское, 5 - Кузнецкое, б - Экибастузское, 7 - Канско-Ачинское, 8 - Прибалтийские сланцы (далее на рисунках и в таблицах названия месторождений и получаемых из их углей зол-уносов заменены соответствующими номерами). На долю этих месторождений приходится ~ 80 % твердых топлив, при сжигании которых в год образуется ~ 60 млн т зол-уносов в виде высокодисперсного порошка.

Рис. 1. Фрагмент тройной диаграммы составов зол-уносов твердых топлив месторождений 1...8 и торфяного: 1 - экибастузский уголь; 2 - донецкий АШ; 3 - львовско-волынский уголь; 4 - кузнецкий уголь; 5 - донецкий ГСШ; 6 - подмосковный уголь; 7 - канско-ачинские угли; 8 - эстонские сланцы; Т - торф

Пригодность золы-уноса углей различных месторождений в качестве ТИМ для производства стальных отливок и слитков в основном зависит от химсостава сжигаемого топлива, определяющего его физико-химические свойства (в первую очередь, огнеупорность), содержания в нем горючих, свободного оксида Са, удельной поверхности, а также ряда других параметров. Немаловажную роль при этом играет стабильность показателей свойств зол исследуемых месторождений.

На основании статистического материала, накопленного при отборе проб зол с различных ТЭС, начиная с 1970 г., Уральским ВТИ и ВТИ им. Дзержинского проведена систематизация химсостава и физико-химических свойств зол-уносов основных месторождений твердого топлива, позволяющая выбирать золы с требуемыми для целей тепловой изоляции прибылей свойствами.

Рис. 2. Зависимость разброса показателей зол-уносов от зольности А топлива месторождений 1...8: а - по SiO₂ + Аl₂O₃, б - по СаО + MgO

Рис. 3. Зависимость содержания свободной окиси кальция (СаО) (а) и SO₃ (б) от общего содержания окиси кальция в золе-уносе

Для оценки разброса данных по содержанию основных компонентов золы были построены тройные диаграммы. Сводная тройная диаграмма составов зол-уносов вышеупомянутых месторождений 1...8 и торфа Т представлена на рис. 1.

Из диаграммы следует, что Экибастузские угли (кривая 6) имеют минимальный разброс, и поле их составов вплотную прилегает к вершине трехкомпонентного треугольника. Затем следуют золы Подмосковных и Кузнецких углей. Установлено, что существует определенная тенденция к уменьшению разброса показателей по мере повышения зольности А топлива, представленная на рис. 2. Так, например, золы углей Канско-Ачинского месторождения 7, с низкой зольностью, имеют и наибольший разброс показателей. И наоборот, золы-уносы Экибастузских б и Подмосковных 3 углей при высокой зольности имеют минимальный разброс.

Такая закономерность объясняется строением минеральной части топлива, которую разделяют на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя часть представляет собой различные минералы и металлоорганические соединения, включенные в толщу угля, внешние - породы, захватываемые при выработке угля. Зольность топлива повышается за счет увеличения внешней составляющей золы, то есть породы. При большой зольности топлива состав остается сравнительно постоянным.

Наблюдается известная зависимость между общим увеличением общего содержания оксида кальция в золе-уносе и увеличением содержания в ней свободного оксида кальция (СаО)_св. То же самое относится к зависимости между содержанием в золе оксида кальция и SO₃ (рис. 3).

Рис. 4. Диаграмма распределения tнж шлаков кислого состава (1...6 - золы углей соответствующих месторождений)

Наиболее объективный критерий расплавления золы, определяемый ее химсоставом и не зависящий от фазового состава, - температура максимального расплавления и вытекания золы tнж. Для выявления наиболее тугоплавких зол на диаграммы распределения tнж, были нанесены точки, отвечающие средним составам зол кислого (рис. 4) и основного (рис. 5) типов. Из этих диаграмм видно, что к наиболее тугоплавким золам кислого состава можно отнести Экибастузские, Подмосковные и Кузнецкие, а к золам основного состава - сланцевые и золу Березовского угля.

Огнеупорность зол также определяли по ГОСТ 2057-82 прямым визуальным методом: нагреванием в полувосстановительной среде образцов золы в форме пирамид. При этом определяли температуры, соответствующие характерным изменением формы образца: tA - начала деформации, при которой наблюдается первый признак размягчения образца; tB - полусферы, при которой образец принимает форму полусферы; tC - жидкоплавкого состояния, при которой образец растекается.

Результаты определения плавкости и других физико-химических свойств зол-уносов основных месторождений твердых топлив представлены в таблице.

2.Критерии оценки качества зол-уносов

При оценке пригодности зол-уносов углей различных месторождений в качестве огнеупорного теплоизоляционного наполнителя формовочных смесей, предназначенных для обогрева прибылей стальных литых заготовок, руководствовались следующими известными в практике литейного производства показателями: плавкостью tB, объемной массой, содержанием горючих, содержанием свободной окиси Са, суммарным содержанием Na₂O, К₂О и СаО.

Показатель плавкости золы предопределяет огнеупорность ТИС, ее способность сохранять механическую прочность в период контакта с жидкой сталью до момента образования поверхностной корки металла прибыли. Выбрано tB > 1300 °С, как близкое к реальной температуре прогрева поверхностных слоев литейной формы в период затвердевания стальной отливки.

Объемная масса золы как наполнителя определяет теплопроводность ТИС, которая, в свою очередь, характеризует ее изолирующую способность. Для обеспечения надлежащей степени теплоизоляции объемная масса золы не должна превышать 1800 кг/м³.

Увеличение содержания горючих >5 % повышает газотворность смеси и ухудшает ее технологические и физико-механические характеристики, поэтому ограничили этот показатель на уровне 5%.

При использовании традиционных связующих типа ЖС увеличение содержания оксидов Са, Na, К выше 59 % а (СаО) > 1 % нежелательно, поскольку они отрицательно влияют на соблюдение стабильности параметров техпроцесса приготовления смесей и ухудшают их физико-механические свойства.

Рис. 5. Диаграмма распределения tнж шлаков основного состава 9 и 10 - золы углей Назаровского, Ирши-Бородинского месторождений

Таблица 1. Состав и плавкость различных зол-уносов.

Примечание. Удельная поверхность у 1 - 3000...5000; 2, 3, 6, 8 - 2000...4000: 4, 5, 9 и 10 - 1500...3000 см²/г.

3.Результаты оценки качества зол-уносов

На основании проведенного анализа физико-химических свойств зол-уносов ТЭС установлено, что комплексу вышеуказанных требований наиболее полно отвечают золы Экибастузского и Подмосковного месторождений углей, имеющие стабильные (в пределах допустимых отклонений) параметры свойств (см. таблицу). Это позволяет производить отбор зол с электростанций без проведения дополнительных операций по их отбраковке. Могут быть также использованы золы Кузнецкого и Донецкого месторождений. Однако нестабильность и разброс их физико-химических показателей требуют обязательного определения свойств зол каждой партии углей с целью выявления их соответствия вышеуказанным требованиям.

Угли Экибастузского бассейна относят к многозольным каменным углям. Минеральная часть этих углей почти целиком состоит из глинисто-песчаных пород, в которых распределено небольшое количество железистых соединений. Зола на > 90 % состоит из SiO₂ + Аl₂O₃, основная часть - кремнезем. Большое содержание кислых окислов предопределяет их высокую тугоплавкость. Топливо имеет высокую реакционную способность, что предопределяет сравнительно низкое содержание горючих в золе-уносе.

Минеральная часть углей Подмосковного бассейна, в основном, представляет собой глинистые породы с крупными включениями пирита. В отличие от остальных бурых углей, подмосковные - высокозольные с высоким содержанием в золе кислых окислов SiO₂ + Аl₂О₃ (> 80 %). Зола этих углей отличается низким содержанием оксидов Са, Mg и щелочных металлов. Зола содержит мало горючих, имеет высокие показатели плавкости.

Кузнецкие угли по составам близки к Подмосковным, имеют высокое содержание SiO₂ + Al₂О₃. Минеральная часть этих углей, в основном, представляет обогащенные песком глинистые породы, что объясняет высокое содержание SiO₂ в золе. Зола характеризуется сравнительно низкими показателями плавкости из-за наличия большого количества стекловидной фазы в уносах. В золе этих углей встречаются сферолиты - полые микросферы. Отрицательное качество этих зол - высокое содержание горючих, иногда достигающее 25 %.

На углях Экибастузского месторождения работают электростанции: Рефтинская ГРЭС, Троицкая ГРЭС, Ермаковская ГРЭС, Красногорская ТЭЦ, Омская ТЭЦ-4. Верхнетагильская ТЭЦ, Средне-Уральская ГРЭС 7 и др. На углях Подмосковского месторождения - Ступинская ТЭЦ-17, Щекинская ГРЭС, Новомосковская ГРЭС, Алексинская ТЭЦ. Дорогобужская ГРЭС. Рязанская ГРЭС и др. На углях Кузнецкого месторождения - Барабинская ГРЭС, Санкт-Петербургские ТЭЦ-14, ТЭЦ-17; Новосибирские ТЭЦ-2, ТЭЦ-3; Московская ТЭЦ-22

Заключение

Впервые проведен и представлен в систематизированном виде анализ основных физико-химических свойств зол-уносов ТЭС, позволивший выявить из большого разнообразия твердых топлив многочисленных месторождений наиболее тугоплавкие, отвечающие комплексу требований, предъявляемых к теплоизоляционным легковесным наполнителям формовочных смесей для утепления прибылей стальных отливок и слитков.

Установлено, что из всего многообразия зол ТЭС комплексу этих требований полностью отвечают только золы углей Экибастузского и Подмосковного месторождений, имеющие стабильные, с минимальным разбросом, свойства.

Список использованных источников

зола теплоизоляционный слиток прибыль

1. Англо-русский словарь по технологии машиностроения и металлообработке. - М.: Русский язык, 1990. - 0 c.

2. Багдасарова, Т. А. Токарь. Технология обработки / Т.А. Багдасарова. - М.: Академия, 2010. - 0 c.

3. Беккерт, М. Железо. Факты и легенды / М. Беккерт. - М.: Металлургия, 1984. - 0 c.

4. Беляев, А. И. Поверхностные явления в металлургических процессах / А.И. Беляев, Е.А. Жемчужина. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1952. - 0 c.

5. Блинов, О. М. Теплотехнические измерения и приборы. Учебник для вузов / О.М. Блинов, А.М. Беленький, В.Ф. Бердышев. - М.: Металлургия, 1993. - 0 c.

6. Болобов, В. И. Безопасность применения титана в автоклавных процессах цветной металлургии с применением газообразного кислорода: моногр. / В.И. Болобов. - М.: Лань, 2015. - 0 c.

7. Вереина, Л. И. Фрезеровщик. Оборудование и технологическая оснастка / Л.И. Вереина. - М.: Academia, 2008. - 0 c.

8. Вигдорович, В. И. Электрохимическое и коррозионное поведение металлов в кислых спиртовых и водно-спиртовых средах / В.И. Вигдорович, Л.Е. Цыганкова. - М.: Радиотехника, 2009. - 0 c.

9. Время свершений. История Ленинградского сталепрокатного завода. - М.: Лениздат, 1987. - 0 c.

10. Выращивание кристалловолокон из расплава. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 0 c.

11. Гарофало, Ф. Законы ползучести и длительности прочности металлов / Ф. Гарофало. - М.: Металлургия, 1968. - 0 c.

Размещено на Allbest.ru