Cegła się nie stopiła. Zaprawa nie zawiodła. Piec nie przekroczył temperatury znamionowej. A jednak, po trzech latach kampanii, kopuła pieca dmuchowego uległa widocznej deformacji, pakiet kratek jest nierówny, a dystrybucja ciepła uległa pogorszeniu do tego stopnia, że nie można w sposób niezawodny osiągnąć docelowych temperatur dmuchu.
Ten scenariusz ma miejsce w hutach stali na tyle często, że ma nazwę: awaria pełzania. A dzieje się tak specjalnie, bo standardowocegły o wysokiej zawartości tlenku glinu- nawet materiał-pierwszego gatunku o zawartości Al₂O₃ powyżej 75% - nie może zachować stabilności wymiarowej pod długotrwałym obciążeniem mechanicznym w temperaturach powyżej 1200 do 1300 stopni. Podszewka nie zapada się drastycznie. Porusza się powoli, niewidocznie, aż geometria, którą miał trzymać, przestanie istnieć.
Aby rozwiązać ten konkretny problem, istnieje cegła o niskim pełzaniu i wysokiej zawartości tlenku glinu. Zrozumienie przyczyny wymaga jasnego obrazu tego, czym jest pełzanie, dlaczego standardowe cegły nie mogą tego uniknąć i w jaki sposób niskie stopnie pełzania są różne na poziomie mikrostruktury.
Co właściwie Creep robi z podszewką
Pełzanie w ceramice ogniotrwałej to odkształcenie-zależne od czasu pod wpływem stałego naprężenia w podwyższonej temperaturze. W przeciwieństwie do odkształcenia sprężystego, które powraca po usunięciu obciążenia, pełzanie jest trwałe. Cegła skraca się o ułamek procenta co kilkaset godzin pracy i ta część się kumuluje.
W kopule gorącego pieca dmuchowego - łuk konstrukcyjny dźwigający własny ciężar własny przy temperaturze od 1300 do 1400 stopni - nawet 0,3% liniowego pełzania w poprzek warstw cegieł przekłada się na mierzalne ugięcie łuku. Połączenia otwierają się po stronie rozciąganej. Łuk traci swoją geometryczną wydajność. Gorący gaz zaczyna znajdować ścieżki przez wyściółkę, a nie przez pakiet szachownicy. W końcu sekcje się oddzielają.
W komorze kontrolnej mechanizm działa na zasadzie ściskania, a nie łuku.- Cegły szachownicowe u podstawy wysokiego stosu dźwigają ciężar każdego pola znajdującego się nad nimi. Standardowe cegły w temperaturze 1200 stopni pod tym obciążeniem ściskającym ściskają się powoli przez lata użytkowania. Geometria szachownicy - określająca efektywność wymiany ciepła - jest zniekształcona. Zwiększa się przepływ gazu. Sprawność cieplna spada, a instalacja spala więcej gazu, aby wytworzyć tę samą temperaturę podmuchu.
Liczby nie są akademickie. Standardowa cegła-o wysokiej zawartości tlenku glinu (większa lub równa 75% Al₂O₃) testowana w temperaturze 1350 stopni, 0,2 MPa, przez 50 godzin, wykazuje szybkość pełzania w zakresie od 1,0% do 2,0%. Niskie stopnie pełzania w tych samych warunkach testowych utrzymują to poniżej 0,2%. Kampania dotycząca pieców nadmuchowych trwa od siedmiu do dwunastu lat. Przeprowadź obliczenia na odkształceniu złożonym wynoszącym 1,5% w porównaniu z 0,15% na cykl testowy, a różnica strukturalna po ósmym roku stanie się oczywista.
Dlaczego standardowe cegły o wysokiej zawartości tlenku glinu nie mogą uniknąć pełzania w tych temperaturach
Odpowiedź kryje się w fazie szklanej.
Cegły o wysokiej zawartości tlenku glinu, niezależnie od zawartości Al₂O₃, zawierają resztkową fazę szklaną w osnowie, czyli - drobno-drobnym materiale wiążącym pomiędzy grubszymi cząstkami kruszywa. Ta faza szklana tworzy się podczas wypalania z krzemionki, tlenków żelaza, dwutlenku tytanu i zanieczyszczeń alkalicznych obecnych w surowym boksycie. W temperaturze pokojowej i umiarkowanych temperaturach pieca faza szklana jest sztywna i zachowuje się odpowiednio. Ale powyżej około 1100 stopni do 1200 stopni zaczyna mięknąć. Nie płynie w sposób widoczny ani szybki, - ale pod ciągłym obciążeniem mechanicznym łuku lub stosu szachownicy przepływa dokładnie tyle, przez wystarczającą liczbę godzin, aby wytworzyć mierzalne trwałe odkształcenie.
Im wyższa zawartość zanieczyszczeń w surowcu -, zwłaszcza Fe₂O₃ i TiO₂, które są naturalnie obecne w boksycie, - tym więcej fazy szklanej tworzy się podczas wypalania i im wcześniej faza szklista zaczyna mięknąć podczas użytkowania. Dlatego też przy tej samej nominalnej zawartości Al₂O₃ można uzyskać cegły o bardzo różnym zachowaniu na pełzanie, w zależności od źródła surowca i warunków wypalania.
Standardowe cegły o wysokiej zawartości tlenku glinu nie są produktami słabo wykonanymi. Dobrze sprawdzają się w większości zastosowań przemysłowych. Faza szklista nie jest wadą -, jest to nieodłączny wynik stosowania boksytu jako surowca pierwotnego. Problem polega na tym, że ta faza szklista ma granicę termiczną, której standardowe gatunki po prostu nie mogą przekroczyć bez zasadniczych zmian w mikrostrukturze.
Jak powstają cegły o niskim pełzaniu i wysokiej zawartości tlenku glinu
Podejście to nazywa się kontrolą matrycy mulitowej. Celem jest zastąpienie jak największej części fazy szklanej w osnowie mulitem - związkiem mineralnym 3Al₂O₃·2SiO₂ -, który ma o kilkaset stopni większą odporność na mięknienie niż faza szklana, którą zastępuje.
Trzy-minerały kamienne - andaluzyt, sylimanit i cyjanit - to kluczowe surowce, które to umożliwiają. Wszystkie trzy mają ten sam wzór chemiczny (Al₂SiO₅), ale różne struktury krystaliczne i wszystkie trzy przekształcają się w mulit podczas wypalania lub użytkowania, uwalniając w procesie wolną krzemionkę:
Al₂SiO₅ → Al₆Si₂O₁₃ (mullit) + SiO₂
Wprowadzając te minerały do frakcji osnowy wsadu, - starannie kontrolując stosunek Al₂O₃/SiO₂ do teoretycznego składu mulitu, - producenci powodują mulitizację osnowy podczas wypalania. Rezultatem jest matryca zdominowana przez kryształy mulitu, a nie szkło, przy czym resztkowa faza szklana jest znacznie zmniejszona.
Typowy pakiet surowców do dobrze-wykonanej cegły o niskim pełzaniu obejmuje:
Specjalny klinkier boksytowy-- wybrane ze względu na niską zawartość zanieczyszczeń, zazwyczaj Fe₂O₃ + TiO₂ w połączeniu poniżej 2,5%, co bezpośrednio zmniejsza tworzenie fazy szklistej
Stopiony korund- dodany do grubej frakcji kruszywa, zapewniając-temperaturę-stabilność, zasadniczo-bez szkła
Mulit topiony lub spiekany- wstępnie-ustala docelową fazę mineralną w kruszywa
Andaluzyt, sylimanit lub cyjanitDo macierzy dodano -, zwiększając-mullityzację usług
Wysokiej-jakości glinka kulista o niskiej zawartości alkaliów- jako spoiwo, unikając wprowadzania dodatkowych zanieczyszczeń topnika
Temperatura wypalania też ma znaczenie. Cegły o niskim pełzaniu wymagają wypalania w temperaturze powyżej 1500 stopni, aby doprowadzić do zakończenia mulityzacji w matrycy. Niższe temperatury wypalania pozostawiają nieprzereagowane trzy-kamień mineralny i resztkowe szkło - cegła przechodzi testy fizyczne w-temperaturze pokojowej, ale radzi sobie gorzej w użytkowaniu.
Specyfikacje klas: co oznaczają liczby
Cegły o niskim pełzaniu i wysokiej zawartości tlenku glinu są klasyfikowane przede wszystkim na podstawie zawartości Al₂O₃, która reguluje zakres temperatur i warunki obciążenia, jakie może wytrzymać każdy gatunek. Typowe oznaczenia są zgodne z systemem DRL (Dense Refractory Low-pełzanie):
| Stopień | Al₂O₃ | Szybkość pełzania (1350 stopni, 0,2 MPa, 50 godz.) | RUL T₀.₆ | Gęstość nasypowa | CCS | Strefa Aplikacji |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DRL-55 | Większy lub równy 55% | Mniejsze lub równe 0,5% | Większa lub równa 1450 stopni | Większe lub równe 2,40 g/cm3 | Większe lub równe 55 MPa | Dolne strefy, umiarkowane obciążenie |
| DRL-65 | Większy lub równy 65% | Mniejsze lub równe 0,4% | Większa lub równa 1470 stopni | Większe lub równe 2,50 g/cm3 | Większe lub równe 60 MPa | Ściany gorącego pieca dmuchowego, szyb wielkiego pieca |
| DRL-75 | Większy lub równy 75% | Mniejsze lub równe 0,3% | Większa lub równa 1500 stopni | Większa lub równa 2,60 g/cm3 | Większe lub równe 65 MPa | Kopuła pieca gorącego podmuchu, górna kratka |
| DRL-80 | Większy lub równy 80% | Mniejsze lub równe 0,2% | Większa lub równa 1520 stopni | Większe lub równe 2,65 g/cm3 | Większe lub równe 70 MPa | Kopuła-wysokotemperaturowa, wysoki szyb wielkiego pieca |
Prawidłowy odczyt szybkości pełzania:Wartość szybkości pełzania jest ważna tylko w warunkach testowych. „Szybkość pełzania mniejsza lub równa 0,3%” nic nie oznacza, jeśli nie wiadomo, że została zmierzona przy 1350 stopniach, obciążeniu 0,2 MPa, przez 50 godzin - w standardowych warunkach odniesienia zgodnie z YB/T 5016 i podobnymi specyfikacjami. Dostawca podający pełzanie przy 1200 stopniach lub 20 godzinach daje liczby, które wyglądają podobnie, ale nie są porównywalne. Żądając specyfikacji, zawsze wymagaj pełnych warunków testowych wraz z wartością.
RUL - metryka towarzysząca:Ogniotrwałość pod obciążeniem (T₀.₆) mierzy temperaturę, w której cegła pod obciążeniem ściskającym 0,2 MPa odkształca się o 0,6%. Wskazuje to praktyczną górną granicę temperatury dla-zastosowań nośnych -, bardziej przydatną w projektowaniu łuków i kopuł niż nominalna zawartość Al₂O₃.
Tam, gdzie wymagane są cegły o niskim pełzaniu
Piece nadmuchowe - Podstawowe zastosowanie
Zastosowaniem, które przyczyniło się do rozwoju cegieł o niskim pełzaniu, były piece na gorący podmuch (piece Cowper). Podgrzewają wstępnie podmuch powietrza dostarczany do wielkich pieców, przechodząc między spalaniem (ogrzewaniem) a dostarczaniem podmuchu (chłodzeniem) w sposób ciągły w kampaniach mierzonych w latach.
Kopuła działa w najwyższej temperaturze pieca -, zwykle od 1300 do 1400 stopni - i działa jako łuk konstrukcyjny, utrzymujący znaczną masę własną. Górna komora kontrolna, w której dopływający gaz jest najgorętszy, ma temperaturę od 1100 do 1350 stopni, w zależności od konstrukcji pieca. Obie strefy wymagają trwałej stabilności wymiarowej, której nie są w stanie zapewnić standardowe cegły o wysokiej zawartości tlenku glinu.
Typowe specyfikacje strefowe dla nowoczesnego pieca na gorący podmuch:
Kopuła i sklepienie górne: DRL-75 lub DRL-80 - najwyższa temperatura, maksymalne wymagania konstrukcyjne
Górna komora kontrolna (>1100 stopni): DRL-65 do DRL-75 w zależności od temperatury roboczej
Dolna komora kontrolna: DRL-55 lub standardowy tlenek glinu o wysokiej zawartości - temperatura jest niższa, wymagania dotyczące pełzania są mniej rygorystyczne
Ściany komory spalania: DRL-65, w zależności od temperatury projektowej
Wymiana kopuły gorącego pieca dmuchowego to cotygodniowe-przestoje w wielkim piecu z powodu utraty produkcji w wielkim piecu - w tym okresie, co znacznie przewyższa różnicę w kosztach pomiędzy cegłami standardowymi i cegłami o niskim pełzaniu. Ekonomika prawidłowej specyfikacji nie jest subtelna.
Szyb wielkiego pieca
Szyb wielkiego pieca pracuje pod połączonym obciążeniem mechanicznym wynikającym z powyższego obciążenia i atakiem chemicznym ze strony gazowego CO i zasad. Górne i środkowe strefy szybu, o temperaturze od 700 do 1200 stopni, korzystają z cegieł o niskim pełzaniu, ponieważ połączenie stałego obciążenia ściskającego i ataku chemicznego przyspiesza degradację standardowych cegieł bogatych w-fazę-szklaną. DRL-65 jest tutaj powszechną specyfikacją.
Piece koksownicze
Ściany kanałów kominowych pieca koksowniczego i strefy regeneratora działają w sposób ciągły w temperaturze od 1100 do 1350 stopni przez dziesięciolecia bez przestojów. Jeśli ściany komina wyginają się lub ściskają, komora koksownicza zwęża się, czas koksowania wydłuża się i mechaniczne przepychanie koksu staje się problematyczne. Cegła o niskiej pełzalności w ścianach kominowych zapobiega tej postępującej degradacji geometrycznej.
Regeneratory pieców szklanych
W górnych strefach regeneratorów pieca szklarskiego, gdzie temperatury przekraczają 1200 stopni, w wypełnieniu kratownicowym stosuje się cegłę o niskim pełzaniu i wysokiej zawartości tlenku glinu. Utrzymanie geometrii pakietu szachownicy w ciągu wielu-lat kampanii w piecu szklarskim wymaga stabilności wymiarowej, której nie mogą zagwarantować standardowe gatunki w tych temperaturach.
Kiedy standardowa cegła o wysokiej zawartości tlenku glinu jest nadal właściwym wyborem
Nie każde zastosowanie wysokotemperaturowe- wymaga cegieł o niskim pełzaniu. Specyfikacja jest uzasadniona, gdy jednocześnie występują trzy warunki:
Stałe obciążenie mechaniczne- cegła znajduje się pod ciągłym, a nie przerywanym naprężeniem ściskającym. Kwalifikują się konstrukcje łukowe, okładziny kopuł, wysokie stosy szachownicy i okładziny wałów. Wykładziny podłogowe w piecach wsadowych zazwyczaj tego nie robią.
Utrzymująca się temperatura powyżej 1200 stopni- poniżej tego progu faza szklista w standardowych cegłach nie mięknie na tyle, aby spowodować znaczące pełzanie. Specyfikacja staje się krytyczna dopiero, gdy temperatura osiąga 1200–1400 stopni i więcej.
Długie życie kampanii- wyściółka zaprojektowana na dwanaście miesięcy może tolerować większe całkowite pełzanie niż wykładzina, która ma wytrzymać dziesięć lat. Cegły o niskim pełzaniu dodają znaczącą wartość, gdy cele kampanii powodują, że skumulowane odkształcenie staje się problemem konstrukcyjnym.
Jeśli którykolwiek z tych trzech warunków nie jest spełniony - ładunek jest niewielki, temperatura jest niższa niż 1200 stopni lub kampania jest krótka - standardowa cegła o wysokiej zawartości tlenku glinu w odpowiednim gatunku jest często lepszą decyzją ekonomiczną. Nadmierne-określenie podszewki zwiększa koszty bez zwiększania trwałości.
Niskie pełzanie i wysoki tlenek glinu a cegła krzemionkowa: wybór między nimi
W przypadku zastosowań w piecach na gorąco o temperaturze powyżej 1350 stopni kupujący często porównują cegły o niskim pełzaniu i wysokiej zawartości tlenku glinucegły krzemionkowe. Obydwa są rozwiązaniami uzasadnionymi, a wybór sprowadza się do warunków pracy i ograniczeń.
Cegła o niskim pełzaniu i wysokiej zawartości tlenku glinuradzi sobie ze wahaniami temperatury. Można go chłodzić i ponownie podgrzewać bez ryzyka pękania w wyniku szoku termicznego, jakie przenosi cegła krzemionkowa. W przypadku pieców, w których występują nieplanowane przestoje, wahania temperatury podczas zmian operacyjnych lub jakikolwiek inny scenariusz wymagający elastyczności w harmonogramie ogrzewania i chłodzenia, bezpieczniejszym w działaniu jest piec o niskim pełzaniu i wysokim tlenku glinu.
Cegła krzemionkowama wyższy RUL - często przekraczający 1650 stopni - i zasadniczo zerowe pełzanie pod obciążeniem powyżej 600 stopni ze względu na stabilne fazy trydymitu i krystobalitu, które tworzą się podczas wypalania. W przypadku pieców pracujących w sposób ciągły w temperaturze powyżej 1400 stopni bez cykli i przestojów, cegła krzemionkowa zapewnia doskonałą-terminową stabilność wymiarową. Ograniczeniem jest to, że cegła krzemionkowa nie może nigdy ostygnąć poniżej około 600 stopni -. Zmiany fazy krystalicznej poniżej tej temperatury powodują destrukcyjne zwiększenie objętości. Każde nieplanowane wyłączenie, które spowoduje spadek pieca poniżej tego progu, grozi katastrofalnym uszkodzeniem okładziny.
Praktyczne wskazówki: w nowoczesnych piecach o dużej-wydajności, pracujących w sposób ciągły w temperaturze powyżej 1400 stopni przy minimalnym ryzyku przestoju, w kopule i górnym sklepieniu zastosowano cegłę krzemionkową. Piece o temperaturze od 1300 do 1400 stopni lub piece, w których ceniona jest elastyczność operacyjna, wykorzystują cegłę o niskim pełzaniu i wysokiej zawartości tlenku glinu.
Pięć rzeczy, które należy sprawdzić przed złożeniem zamówienia
1. Wymagaj pełnych warunków próby pełzania, a nie tylko szybkościNależy podać temperaturę, obciążenie i czas trwania. Standardowe odniesienie - 1, 350 stopni, 0,2 MPa, 50 godzin - jest wymagane w przypadku zastosowań kopułowych pieców nadmuchowych. Wszystko, co zmierzono w bardziej miękkich warunkach, nie jest bezpośrednio porównywalne.
2. Poproś o analizę zanieczyszczeńZawartość Fe₂O₃ i TiO₂ bezpośrednio wpływa na ilość fazy szklanej utworzonej podczas wypalania. Łączne zanieczyszczenia powyżej 3% w gotowej cegle wskazują na źródło surowca o niższej-czystości, które zazwyczaj wykazuje większe pełzanie w temperaturze, nawet jeśli zawartość Al₂O₃ jest zgodna ze specyfikacją.
3. Potwierdź temperaturę wypalania podczas produkcjiCegła o niskim pełzaniu wymaga wypalenia powyżej 1500 stopni, aby zakończyć mulityzację matrycy. Cegły wypalane w niższych temperaturach mogą przejść testy fizyczne-w temperaturze pokojowej, niosąc ze sobą znaczną ilość nieprzereagowanej fazy szklanej, która staje się widoczna dopiero w wyniku pełzania podczas użytkowania.
4. Sprawdź pozorną porowatość i gęstośćCegły o niskim pełzaniu powinny mieć porowatość pozorną poniżej 20% -, typowo 17–19% dla DRL-65 i DRL-75. Wyższa porowatość oznacza bardziej otwarte ścieżki penetracji oparów alkalicznych w trakcie użytkowania, co atakuje fazę mulitu i przyspiesza tę samą degradację, której odporna została cegła.
5. Sprawdź tolerancje wymiarowe dla zastosowań łukowych i kopułowychW-instalacjach łuków nośnych tolerancja wymiarów cegieł - zwłaszcza cegieł klinowych - powinna mieścić się w zakresie ±1 mm pod względem wysokości i szerokości. Zmienna szerokość spoin w łuku powoduje nierównomierny rozkład obciążeń pod wpływem rozszerzalności cieplnej, koncentrując naprężenia na wąskich spoinach i otwierając szczeliny na szerokich. Klasa cegły ma znaczenie; podobnie jak spójność wymiarowa partii produkcyjnej.
