Використання муллітокремнеземистих матеріалів

Сьогодні Україна посідає одне з перших місць у світі за витратами енергії на одиницю валового продукту, що виробляється. Енергоємність валового внутрішнього продукту України від 5 і більше разів вища, ніж у розвинених державах Західної Європи.

Потенціал енергозбереження становить 45% нинішнього обсягу споживаних енергоресурсів. При цьому найбільшим у країні споживачем енергоресурсів є гірничо-металургійний комплекс (ГМК). Тому реалізація енергозберігаючого напряму розвитку металургії на нинішньому етапі сприймається як актуальний шлях вирішення проблеми енергозалежності держави. Для збереження нинішньої значущості ГМК економіки країни немає альтернативи енергозберігаючої моделі його еволюції.

У нинішніх умовах зусилля металургів мають бути спрямовані на пошук швидко реалізованих, порівняно недорогих та швидко окупних рішень у сфері тепло- та енергозбереження. На підприємствах ГМК України такий ефект досягається внаслідок використання сучасних високотемпературних теплоізоляційних матеріалів. Технічний розвиток металургійної промисловості потребує розширення використання прогресивних теплоізоляційних матеріалів при проектуванні, реконструкції та модернізації всіх промислових об’єктів, де стоїть завдання теплозбереження, теплозахисту, зниження енергетичних витрат у виробничих процесах.

Ефективні теплоізоляційні матеріали, вироби та конструкції з них скорочують втрати тепла, забезпечують економію палива та електроенергії, зумовлюють стійкі режими експлуатації технологічного обладнання, підвищують безпеку умов праці персоналу.

Практично на всіх металургійних і машинобудівних заводах України в різноманітних нагрівальних пристроях, термічних, нагрівальних печах і колодязях, котлах, димоходах та іншому обладнанні в якості робочого незахищеного шару футерування та проміжного (захищеного) шару футерування, де вирішується задача ізоляції впливу високих температур, зазвичай використовують цегляну вогнетривку кладку. Така сама картина спостерігається на коксохімічних, метизних, гірничорудних підприємствах.

Недоліки застосування цегляної кладки для вирішення проблеми теплоізоляції та теплозбереження добре відомі:

Збільшення габаритів та вартості агрегатів;
Висока теплоємність кладки з вогнетривкої цеглини при порівняно неефективній теплоізоляції;
Теплова та температурна інерційність кладки, витрата енергії на її нагрівання до температур експлуатації, тощо.

У промисловості технічно розвинених держав цегляна вогнетривка кладка застосовується зараз лише в умовах, де є безпосередній контакт футерування з рідким металом або кладка може зазнавати ударних навантажень. Цегляна кладка все більше і більше витісняється пористими або волокнистими вогнетривкими матеріалами нового покоління. Результат від використання прогресивних теплоізоляційних матеріалів у промислових об’єктах металургії зазвичай перевищує можливості зменшення втрат тепла та зниження енерговитрат за рахунок вибору раціональних режимів технологічних процесів.

Нині у світі виробляється досить велика кількість різних видів пористих теплоізоляційних матеріалів, що відрізняються між собою структурою, властивостями, призначенням. Пористі теплоізоляційні матеріали виготовляють з різної сировини, застосовуючи різні способи отримання їх пористої будови. Залежно від цього пори в теплоізоляційному матеріалі можуть бути комірчастої будови, волокнистої, пластинчастої, змішаної, тощо.

Основними показниками якості теплоізоляційних матеріалів є такі:
середня щільність, пористість, теплопровідність, міцність, вологість, стійкість при високих і низьких температурах, біостійкість, вогнетривкість, деформованість під впливом навантажень, додаткова усадка (зростання), опірність агресивним середовищам та інше.

Серед футерувальних теплоізоляційних матеріалів зазначеними якісними показниками найбільше мають матеріали, отримані на основі супертонких мулітокремнеземистих волокон.

Перевагами сучасних волокнистих матеріалів, до яких, в першу чергу, відносяться матеріали та вироби вогнетривкі теплоізоляційні мулітокремнеземисті (алюмосилікатні, коалінові), скловолокнисті, є такі: порівняно невелика щільність рулонного матеріалу не більше 150 кг/м3, мулітокремнеземистих виробів складної конфігурації з уявною щільністю не більше 500 кг/м3), низька теплопровідність (в 5-6 разів нижче, ніж вогнетривкої цегли), практично необмежена термостійкість (у тому числі здатність витримувати циклічні зміни температури при періодичних нагріваннях та охолодженнях футерування), відсутність небезпеки руйнування футерування, мала теплоємність (що дозволяє при необхідності швидко здійснювати розігрів та охолодження нагрівальних пристроїв, агрегатів, наприклад, термічних печей).

До переваг вогнетривких матеріалів та виробів на основі мулітокремнеземистого волокна відноситься також різноманітність їх видів (вата, рулонний матеріал, повсть, плити, фетр, картон), що зумовлює зручність їх застосування в промисловості. Крім того, варіюючи хімічним складом (вмістом алюмінію, хрому, цирконію) можна змінювати максимально можливу температуру експлуатації мулітокремнеземистих матеріалів і виробів з них.

Теплоізоляційні вогнетривкі мулітокремнеземисті скловолокнисті матеріали та вироби з них призначені для застосування в якості теплоізоляційного компенсаційного матеріалу для повітронагрівачів доменних печей, ізоляції стін і куполів повітронагрівачів, теплоізоляції термічних, нагрівальних, вертикально-секційних, циліндричних та інших типів печей шлаку, нагрівальних колодязів, утеплення головної частини злитків та виливків із чавуну та сталі та інших об’єктів.

Зазначені мулітокремнеземисті волокнисті матеріали та вироби з них можуть також ефективно застосовуватися як робочий (незахищений) шар футерування, що не піддається дії розплавів, агресивних газових потоків зі швидкістю більше 10 м/с, і для проміжного (захищеного) шару футерування.

Найбільш сучасним комплексом з виробництва вогнетривких теплоізоляційних мулітокремнеземистих матеріалів та виробів на їх основі в Україні виготовляється на ТОВ «Синтиз».

У виробничому процесі на ТОВ «Синтиз» використано останні науково-технічні досягнення у відповідній галузі:

Кюбельна подача сировини з підготовчого відділення до плавильного забезпечила різке зменшення сторонніх домішок у готовій продукції;
Для промислового одержання вогнетривких мулітокремнеземистих волокон на ТОВ «Синтиз» використовували електричну дугову піч, що містить 5 графітових електродів діаметром 150 мм. Відстань між електродами 350 мм;
Об’єм печі дозволяє завантажувати в її простір 5 т сировини, що складається з глинозему та кварцового піску. Перед випуском розплав додатково підігрівається у спеціальній камері. Випускний отвір розплаву охолоджується водою;
Завантаження шихти в плавильну піч здійснюється автоматично через АСКТП на підставі даних поточного контролю якості готової продукції. Застосування потужного пічного трансформатора та автоматизоване керування плавкою в печі через АСКТП дозволяє отримувати якісний розплав у зоні плавлення;
Спеціальна конструкція волокноутворюючого пристрою забезпечує отримання стабільного за товщиною (3 мкм) та порівняно довгого (10-70 мм) волокна під час його роздування. У потоці виробничого процесу здійснюється полімеризація волокна, під час якої волокно вводяться спеціальні добавки і здійснюється термічна обробка при температурі 350 °С протягом 3-4 хв. Продуктивність роздування волокна становить 400 кг/год.

Для теплоізоляції різних агрегатів металургійного виробництва і, в першу чергу, нагрівальних і термічних печей все більшого поширення набуває вогнетривке мулітокремнеземне (алюмосилікатне) волокно ТМ «SINTIZ®».

На ТОВ «Синтиз» успішно функціонує сучасний комплекс із виробництва вогнетривкого теплоізоляційного мулітокремнеземистого волокнистого матеріалу та виробів з нього (вати, рулонного матеріалу, войлока, плит, фетру та інш.). Освоєно виробництво цирконієвмісного мулітокремнеземистого волокна для застосування при температурах до 1600 °С.

Розроблені нові вогнетривкі матеріали «SINTIZ®» та вироби з мулітокремнеземистого волокна, придатні для експлуатації при температурах до 1600 °С, забезпечують реалізацію тепло- та енергозберігаючих технологій на високотемпературних агрегатах різних галузей промисловості.

Теплові втрати, зумовлені акумуляцією тепла кладкою, зменшуються на 20-40%. Зниження теплового потоку через стіни та склепіння печей може сягати 8-10 %, а споживання газу на обігрів печей – 20-30 %. Застосування вогнетривів «SINTIZ®» при будівництві нових та модернізації діючих високотемпературних агрегатів спрощує конструкцію та полегшує на 15-20 % їхню масу, на порядок зменшує витрати вогнетривів та у 2-3 рази трудові витрати на монтаж кладки.

Подальший розвиток технології виробництва вогнетривких волокнистих матеріалів «SINTIZ®» ґрунтуватиметься на результатах пошукових дослідницьких та конструкторських робіт, спрямованих на оптимізацію вихідної шихти, зниження собівартості готової продукції за поліпшення її якості.

За редакцією у 2023 р.
В. Л. Мазур (ФТІМС НАНУ), А. І. Рябов, В. В. Мазур (ТОВ «Синтиз»)