Решение проблемы теплосбережения и теплоизоляции в металлургии

Для теплоизоляции различных агрегатов металлургического производства все большее распространение получает огнеупорное муллитокремнеземистое (алюмосиликотное) волокно.

В г. Синельниково Днепропетровской области (Украина) на предприятии ООО «Синтиз» на современном оборудовании и с соблюдением технологий производится огнеупорный муллитокремнеземистый волокнистый материал и изделия из него: рулонный материал, вата, войлокк, плиты, фетр и др. матьериалы, соответствующих требованиям ТУ У 26.2-00190503-275:2005.

Кроме того, предприятие ООО «Синтиз» производстводит цирконий-содержащее волокно, а также изделия из него, выдерживающих температуру при эксплуатации до 1600 °С. На предприятии постоянно проводятся исследовательские работы в направлении оптимизации шихты для получения волокна, улучшения его качество и снижение себестоимости. Техническое развитие металлургической промышленности требует расширения использования прогрессивных теплоизоляционных материалов при проектировании, реконструкции и модернизации всех промышленных объектов, для которых актуальны задачи теплосбережения, теплозащиты, снижения энергетических затрат в производственных процессах.

Эффективные теплоизоляционные материалы, изделия и конструкции из них сокращают потери тепла и холода, обеспечивают экономию топлива и электроэнергии, обусловливают устойчивые режимы эксплуатации технологического оборудования, повышают безопасность условий труда персонала. На большинстве металлургических и машиностроительных заводов Украины в различные рода нагревательных устройствах, термических, нагревательных печах и колодцах, котлах, дымоходах и другом оборудовании в качестве рабочего (незащищенного) и промежуточного (защищенного) слоя футеровки для изоляции от воздействия высоких температур до сих пор традиционно применяют кирпичную огнеупорную кладку. Такая же картина наблюдается на коксохимических, метизных, горнорудных предприятиях.

Недостатки применения кирпичной кладки при этом хорошо известны: увеличение габаритов и стоимости агрегатов, высока теплоемкость кладки из огнеупорного кирпича при сравнительно неэффективной теплоизоляции, тепловая и температурная инерционность кладки, расход энергии на ее нагрев до температур эксплуатации и др. В промышленности технически развитых государств кирпичная огнеупорна кладка сейчас применяется лишь в условиях непосредственного контакта футеровки, когда кладка может подвергаться ударным нагрузкам. Огнеупорная кирпичная кладка все больше и больше вытесняется пористыми или волокнистыми огнеупорными материалами нового поколения.

В настоящее время на рынке Украины производится достаточно большое количество различных видов пористых теплоизоляционных материалов, различающихся структурой, свойствами, назначением. Теплоизоляционные пористые материалы изготавливают из различного сырья, применяя разные способы получения их пористого строения. В зависимости от способа изготовления теплоизоляционного материала поры в нем могут быть ячеистого строения, волокнистого, пластинчатого, смешанного и др. Показателями качества теплоизоляционных материалов являются их средняя плотность, пористость, теплопроводность, прочность, влажность, стойкость при высоких и низких температурах, биостойкость, огнеупорность, деформируемость под воздействием нагрузок, дополнительная усадка (рост), сопротивляемость агрессивным средам и другие показатели свойств.

Среди теплоизоляционных материалов в соответствии с указанными показателями качества наилучшими являются материалы, полученные на основе супертонких муллитокремнеземистых волокон. Достоинства современных волокнистых материалов, к которым в первую очередь относятся огнеупорные теплоизоляционные муллитокремнеземистые (алюмосиликатные) стекловолокнистые материалы и изделия, заключаются в сравнительно небольшой плотности (для рулонного материала < 150 кг/м³, для муллитокремнеземистых изделий сложной конфигурации < 500 кг/м³), низкой теплопроводности (в 5—6 раз ниже, чем у огнеупорного кирпича), практически неограниченной термостойкости, в том числе, способности выдерживать циклические изменения температуры при периодических нагревах и охлаждениях футеровки, отсутствии опасности разрушения футеровки, малой теплоемкости, что позволяет при необходимости быстро осуществлять разогрев и охлаждение нагревательных устройств и агрегатов, например термических печей.

К преимуществам огнеупорных материалов и изделий на основе муллитокремнеземистого волокна относится также разнообразие их видов (вата, рулонный материал, войлок, плиты, фетр, картон), что предопределяет удобство применения в промышленности. Кроме того, варьируя химический состав, можно изменять максимальную температуру эксплуатации муллитокремнеземистых материалов и изделий из них. В настоящее время предприятиях металлургической промышленности потребляют более 40 % производимых волокнистых муллитокремнеземистых материалов и изделий из них, — 25 % используется в теплоэнергетике. Энергетика и цветная металлурги имеют примерно равные объемы потребления. В черной металлургии -75 % от всего потребляемого материала приходится на прокатное производство. Среди различных видов волокнистых огнеупорных материалов более 2/3 от общего объема потребления приходится на волокно МКРР-130 и плиты на неорганической связке, в том числе, обожженные.

В соответствии с ТУ У 26.2-00190503-275:2005 теплоизоляционные огнеупорные муллитокремнеземистые стекловолокнистые материалы и изделия из них предназначены для применения в качестве теплоизоляционного компенсационного материала для воздухонагревателей доменных печей, изоляции стен и куполов воздухонагревателей, теплоизоляции термических, нагревательных, вертикально-секционных, цилиндрических и других типов печей, металлопроводов, укрытий желобов для чугуна и шлака, нагревательных колодцев, утепления головной части слитков и отливок из чугуна и стали и других объектов.

волокнистые материалы и изделия из них могут также эффективно применяться в качестве рабочего (незащищенного) слоя футеровки, не подвергающейся действию расплавов и агрессивных газовых потоков со скоростью более 10 м/с, и, кроме того, для промежуточного слоя футеровки. Наибольшее применение волокнистые огнеупорные муллитокремнеземистые материалы получили для футеровки стен и сводов колпаковых печей в листопрокатном производстве. Эффективность использования волокнистых огнеупоров в колпаковых печах подтверждена многолетним опытом использования ПАО «Запорожсталь» и ряда других металлургических комбинатов.

В результате применения волокнистых огнеупоров снижается тепловой поток через стены и свод печи, уменьшается теплоемкость футеровки. Это обеспечивает уменьшение расхода топлива, увеличение производительности печи за счет сокращения цикла разогрева и охлаждения агрегата. Одним из примеров эффективного применения волокнистых муллитокремнеземистых огнеупорных материалов может служить их использование при реконструкции дымового борова термических роликовых печей в листопрокатном цехе. Экономические расчеты показывают, что проект реконструкции, предусматривающий сооружение нового борова в существующем железобетонном каркасе, по сравнению с другими решениями наиболее предпочтителен благодаря применению волокнистых муллитокремнеземистых огнеупорных материалов. За счет их использования обеспечены такие преимущества, как возможность осуществить реконструкцию борова поэтапно, отдельными участками без ущерба для производства; отказаться от трудоемких и больших объемов подземной кирпичной кладки; расширить проходное сечение борова на 18 % и более, так как применение волокнистых муллитокремнеземистых огнеупоров позволяет уменьшить толщину слоя футеровки, а это крайне важно для улучшения гидравлического режима дымового тракта.

Кроме указанных выше областей использования в металлургии, теплоизоляционные огнеупорные муллитокремнеземистые стекловолокнистые материалы производства ООО «Синтиз» эффективны для применения также в качестве теплоизоляционного, компенсационного материала в различного рода нагревательных устройствах, термических, нагревательных вертикально-секционных, цилиндрических и других агрегатах в машиностроении; реакторах, котлах и другом оборудовании тепловых и атомных электростанций; металлургических объектах в качестве рабочего незащищенного слоя футеровки и промежуточного (защищенного) слоя футеровки; агрегатах оборонной, а также других отраслей промышленности, где необходима изоляция от воздействия высоких температур. Например, замена огнеупорной кирпичной кладки на волокнистую футеровку для одной термической печи с выкатным подом площадью 27 м² позволяет снизить расход топлива в 20 раз. Поэтому в термических печах различного типа (камерных со стационарным и выдвижным подом, вертикальных, конвейерных, с шагающими балками или подом и др.) свод и стены рекомендуется полностью выполнять из волокнистых муллитокремнеземистых огнеупорных материалов. В черной металлургии 1 т огнеупорных волокнистых муллитокремнеземистых материалов заменяет от 10 до 23 т традиционных огнеупоров (огнеупорного кирпича). Особенно эффективно применение волокнистых огнеупорных материалов в электропечах периодического действия. При использовании волокнистых муллитокремнеземистых огнеупорных материалов на 1/3 уменьшаютс потери тепла и, соответственно, затраты электроэнергии. В агрегатах такого типа волокнистые огнеупоры используются для выполнения всех элементов футеровки, за исключением загрузочного окна и пода печей. В различных агрегатах металлургического производства футеровку из волокнистых огнеупорных муллитокремнеземистых материалов выполняют, как правило, многослойной. В средних слоях используют чаще всего муллитокремнеземистый огнеупорный войлок (МКРВ-200).

ООО «Синтиз» выпускает муллитокремнеземистую вату (теплоизоляционный материал, предназначенный, в том числе, для изготовления теплоизоляционных огнеупорных изделий), рулонный материал, войлок, плиты, картон и фетр (см. таблицу). Максимальна температура применения для муллитокремнеземистых ваты, рулонного материала, войлока, фетра, картона, плит обычного назначения — 1150 °С. Испытания, проведенные в ООО «Синтиз», показали, что муллитокремнеземистый хромосодержащий материал и изделия можно использовать до 1300 °С, цирконий-содержащий — до 1600 °С. По составу муллитокремнеземистые материалы и изделия соответствуют следующим требованиям: массовая доля Аl₂О₃ (на прокаленное вещество) 45-51 %, (Аl₂О₃ + + SiО₂) > 86-97 % в зависимости от назначения материалов и изделий; содержание Сr₂О₃ в хромосодержащих материалах и изделиях 2—4 %; ZгO₂ в цирконий-содержащих материалах 5-15%. Теплоизоляционные муллитокремнеземистые материалы и изделия нетоксичны, пожаро- и взрывобезопасны. Важно подчеркнуть, что в то врем как лучшие образцы минеральной или базальтовой ваты и изделий из них выдерживают температуры применения не выше 700°С, обычные муллитокремнеземистые огнеупорные материалы и изделия из них применяются в длительных режимах при 1150—1300 °С, а при одноразовом использовании, например для утепления головной части слитков и отливок из чугуна и стали, при температурах до 1600°С. Причем если раньше на предприятиях в нашей стратне и за рубежом не производились волокнистые муллитокремнеземистые огнеупорные материалы с температурой эксплуатации 1300-1400 °С, то на ООО «Синтиз» эта проблема решена, как уже отмечалось, за счет изготовления муллитокремнеземистого волокна, содержащего в своем составе оксиды циркония. Теплоизоляционные муллитокремнеземистые материалы и изделия во многих случаях могут применяться взамен изделий из асбеста, который, как известно, обладает канцерогенными свойствами.

Испытания, проведенные специалистами Национальной Академии наук Украины, показали, что наилучшая термостойкость муллитокремнеземистых огнеупорных волокон производства ООО «Синтиз» достигается при массовой доле (на прокаленное вещество) Аl₂О₃ в пределах 51—52 % и суммарном содержании (Аl₂О₃ + SiО₂) > 97,5 %. При модификации сырьz ZгO₂ лучшие результаты достигаются при содержании ZгO₂ в пределах 10—15 %. В этом случае суммарное содержание Аl₂О₃ + SiО₂ снижается до 85 %. Развитие технологии производства огнеупорных муллитокремнеземистых волокон и изделий из них предполагается в направлении дальнейшей отработки температурных режимов плавки и волокнообразования, совершенствования конструкций дутьевых волокнообразующих сопел, оптимизации составов исходной шихты с целью уменьшения доли глинозема в шихте за счет использования природных каолина или кианита. Плавление сырого каолина сопряжено с определенными трудностями, поэтому с той же целью может быть использован шамот на основе природных алюмосиликатов. Выполненные исследования показали, что плавление шамота протекает в режиме, аналогичном режиму плавления шихты, состоящей из глинозема и кварцевого песка в соотношении 1:1. Природный каолин или кианит, а также шамот могут быть использованы как добавки к шихте, состоящей из глинозема и кварцевого песка, что значительно снижает стоимость продукции.

В настоящее время ООО «Синтиз» производит и гарантирует качество теплоизоляционных огнеупорных материалов под торговой маркой «SINTIZ^®» для разных направлений промышленности, по ранее разработанным и успешно внедренным технологиям ОАО «Синельниковская теплоизоляция».

Под редакцией в 2023 г.
В.Л.Мазур (ФТИМС НАНУ), А.И.Рябов, В.В.Мазур (ООО «Синтиз»)