Проблеми теплозбереження та теплоізоляції в металургії

Для теплоізоляції різних агрегатів металургійного виробництва дедалі більшого поширення набуває вогнетривке мулітокремнеземисте (алюмосилікотне) волокно.

У м. Синельникове Дніпропетровської області (Україна) на підприємстві ТОВ “Синтиз” на сучасному обладнанні та з дотриманням технологій виготовляють вогнетривкий мулітокремнеземистий волокнистий матеріал і вироби з нього: рулонний матеріал, вату, повсть, плити, фетр тощо, які відповідають вимогам ТУ У 26.2-00190503-275:2005.
Крім того, підприємство ТОВ “Синтиз” виготовляє цирконій-змістке волокно, а також вироби з нього, що витримують температуру під час експлуатації до 1600 °С. На підприємстві постійно проводяться дослідницькі роботи в напрямі оптимізації шихти для отримання волокна, поліпшення його якості та зниження собівартості. Технічний розвиток металургійної промисловості вимагає розширення використання прогресивних теплоізоляційних матеріалів під час проєктування, реконструкції та модернізації всіх промислових об’єктів, для яких актуальні завдання теплозбереження, теплозахисту, зниження енергетичних витрат у виробничих процесах.

Ефективні теплоізоляційні матеріали, вироби і конструкції з них скорочують втрати тепла і холоду, забезпечують економію палива та електроенергії, обумовлюють стійкі режими експлуатації технологічного обладнання, підвищують безпеку умов праці персоналу. На більшості металургійних і машинобудівних заводів України в різного роду нагрівальних пристроях, термічних, нагрівальних печах і колодязях, котлах, димоходах та іншому обладнанні в якості робочого (незахищеного) і проміжного (захищеного) шару футерування для ізоляції від впливу високих температур досі традиційно застосовують цегляну вогнетривку кладку. Така ж картина спостерігається на коксохімічних, метизних, гірничорудних підприємствах. Недоліки застосування цегляної кладки при цьому добре відомі: збільшення габаритів і вартості агрегатів, висока теплоємність кладки з вогнетривкої цегли за порівняно неефективної теплоізоляції, теплова й температурна інерційність кладки, витрата енергії на її нагрів до температур експлуатації тощо. У промисловості технічно розвинених держав цегляна вогнетривка кладка зараз застосовується лише в умовах безпосереднього контакту футерування, коли кладка може піддаватися ударним навантаженням. Вогнетривка цегляна кладка все більше і більше витісняється пористими або волокнистими вогнетривкими матеріалами нового покоління.

Наразі на ринку України виробляється досить велика кількість різних видів пористих теплоізоляційних матеріалів, що розрізняються структурою, властивостями, призначенням. Теплоізоляційні пористі матеріали виготовляють із різної сировини, застосовуючи різні способи отримання їхньої пористої будови Залежно від способу виготовлення теплоізоляційного матеріалу пори в ньому можуть бути пористої будови, волокнистої, пластинчастої, змішаної тощо.

Крім того, підприємство ТОВ “Синтиз” виготовляє цирконій-змістке волокно, а також вироби з нього, що витримують температуру під час експлуатації до 1600 °С. На підприємстві постійно проводяться дослідницькі роботи в напрямі оптимізації шихти для отримання волокна, поліпшення його якості та зниження собівартості. Технічний розвиток металургійної промисловості вимагає розширення використання прогресивних теплоізоляційних матеріалів під час проєктування, реконструкції та модернізації всіх промислових об’єктів, для яких актуальні завдання теплозбереження, теплозахисту, зниження енергетичних витрат у виробничих процесах.

Показниками якості теплоізоляційних матеріалів є їхня середня густина, пористість, теплопровідність, міцність, вологість, стійкість за високих і низьких температур, біостійкість, вогнетривкість, деформуваність під впливом навантажень, додаткова усадка (зростання), опірність агресивним середовищам та інші показники властивостей.

Серед теплоізоляційних матеріалів відповідно до зазначених показників якості найкращими є матеріали, отримані на основі супертонких мулітокремнеземистих волокон. Переваги сучасних волокнистих матеріалів, до яких насамперед належать вогнетривкі теплоізоляційні мулітокремнеземисті (алюмосилікатні) скловолокнисті матеріали та вироби, полягають у порівняно невеликій густині (для рулонного матеріалу <150 кг/м3, для мулітокремнеземистих виробів складної конфігурації <500 кг/м3), низькій теплопровідності (у 5-6 разів нижчій, ніж у вогнетривкої цегли, ніж у вогнетривкої цегли), практично необмеженої термостійкості, зокрема, здатності витримувати циклічні зміни температури під час періодичних нагрівів та охолодження футерування, відсутності небезпеки руйнування футерування, малої теплоємності, що дає змогу в разі потреби швидко здійснювати розігрів та охолодження нагрівальних пристроїв і агрегатів, наприклад термічних печей.

До переваг вогнетривких матеріалів і виробів на основі мулітокремнеземистого волокна належить також розмаїття їхніх видів (вата, рулонний матеріал, войлок/повсть, плити, фетр, картон), що зумовлює зручність застосування в промисловості. Крім того, варіюючи хімічний склад, можна змінювати максимальну температуру експлуатації мулітокремнеземистих матеріалів і виробів з них. Нині на підприємствах металургійної промисловості споживають понад 40 % вироблених волокнистих мулітокремнеземистих матеріалів і виробів із них, – 25 % використовується в теплоенергетиці. Енергетика і кольорова металургія мають приблизно рівні обсяги споживання. У чорній металургії -75 % від усього споживаного матеріалу припадає на прокатне виробництво. Серед різних видів волокнистих вогнетривких матеріалів понад 2/3 від загального обсягу споживання припадає на волокно МКРР-130 і плити на неорганічній зв’язці, зокрема – обпалені.

Відповідно до ТУ У 26. 2-00190503-275: 2005 теплоізоляційні вогнетривкі мулітокремнеземисті скловолокнисті матеріали та вироби з них призначені для застосування як теплоізоляційний компенсаційний матеріал для повітронагрівачів доменних печей, ізоляції стін і куполів повітронагрівачів, теплоізоляції термічних, нагрівальних, вертикально-секційних, циліндричних та інших типів печей, металопроводів, накриттів жолобів для чавуну і шлаку, нагрівальних колодязів, утеплення головної частини злитків і виливків з чавуну і сталі та інших об’єктів.

Волокнисті матеріали та вироби з них можуть також ефективно застосовуватися в якості робочого (незахищеного) шару футерування, що не піддається дії розплавів і агресивних газових потоків зі швидкістю понад 10 м/с, і, крім того, для проміжного шару футерування. Найбільшого застосування волокнисті вогнетривкі мулітокремнеземисті матеріали набули для футерування стін і склепінь ковпакових печей у листопрокатному виробництві. Ефективність використання волокнистих вогнетривів у ковпакових печах підтверджена багаторічним досвідом використання ПАТ “Запоріжсталь” і низки інших металургійних комбінатів.

У результаті застосування волокнистих вогнетривів знижується тепловий потік через стіни і склепіння печі, зменшується теплоємність футерування. Це забезпечує зменшення витрат палива, збільшення продуктивності печі завдяки скороченню циклу розігріву та охолодження агрегату. Одним із прикладів ефективного застосування волокнистих мулітокремнеземистих вогнетривких матеріалів може слугувати їх використання під час реконструкції димового борова термічних роликових печей у листопрокатному цеху.

Економічні розрахунки показують, що проєкт реконструкції, який передбачає спорудження нового борова в наявному залізобетонному каркасі, порівняно з іншими рішеннями найкращий завдяки застосуванню волокнистих мулітокремнеземистих вогнетривких матеріалів. Завдяки їх використанню забезпечено такі переваги, як можливість здійснити реконструкцію борова поетапно, окремими ділянками без шкоди для виробництва; відмовитися від трудомістких і великих обсягів підземної цегляної кладки; розширити прохідний переріз борова на 18 % і більше, оскільки застосування волокнистих мулітокремнеземистих вогнетривів дає змогу зменшити товщину шару футерівки, а це вкрай важливо для поліпшення гідравлічного режиму димового тракту.

Крім зазначених вище галузей використання в металургії, теплоізоляційні вогнетривкі мулітокремнеземисті скловолокнисті матеріали виробництва ТОВ “Сінтіз” ефективні для застосування також як теплоізоляційний, компенсаційний матеріал у різного роду нагрівальних пристроях, термічних, нагрівальних вертикально-секційних, циліндричних та інших агрегатах у машинобудуванні; реакторах, котлах та іншому обладнанні теплових і атомних електростанцій; металургійних об’єктах в якості робочого незахищеного шару.

Наприклад, заміна вогнетривкої цегляної кладки на волокнисте футерування для однієї термічної печі з викочуванням подом площею 27 м2 дає змогу знизити витрату палива у 20 разів. Тому в термічних печах різного типу (камерних зі стаціонарним і висувним подом, вертикальних, конвеєрних, з крокувальними балками або подом тощо) склепіння і стіни рекомендується повністю виконувати з волокнистих мулітокремнеземистих вогнетривких матеріалів. У чорній металургії 1 т вогнетривких волокнистих мулітокремнеземистих матеріалів замінює від 10 до 23 т традиційних вогнетривів (вогнетривкої цегли).

Особливо ефективне застосування волокнистих вогнетривких матеріалів в електропечах періодичної дії. У разі використання волокнистих мулітокремнеземистих вогнетривких матеріалів на 1/3 зменшують втрати тепла і, відповідно, витрати електроенергії. В агрегатах такого типу волокнисті вогнетриви використовуються для виконання всіх елементів футерування, за винятком завантажувального вікна і пода печей. У різних агрегатах металургійного виробництва футерування з волокнистих вогнетривких мулітокремнеземистих матеріалів виконують, як правило, багатошаровим. У середніх пластах використовують найчастіше муллітокремнеземисту вогнетривку повсть (войлок МКРВ-200).

ТОВ “Синтиз” випускає мулітокремнеземисту вату (теплоізоляційний матеріал, призначений, зокрема, для виготовлення теплоізоляційних вогнетривких виробів), рулонний матеріал, повсть, плити, картон і фетр (див. таблицю). Максимальна температура застосування для муллітокремнеземистих вати, рулонного матеріалу, повсті (войлоку), фетру, картону, плит звичайного призначення – 1150 °С. Випробування, проведені в ТОВ “Синтиз”, засвідчили, що мулітокремнеземистий хромозмісний матеріал і вироби можна використовувати до 1300 °С, цирконій-змісний – до 1600 °С. За складом мулітокремнеземисті матеріали та вироби відповідають таким вимогам: масова частка Аl₂О₃ (на прожарену речовину) 45-51 %, (Аl₂О₃+ + +SiО₂) > 86-97 % залежно від призначення матеріалів та виробів; вміст Сr₂О₃ у хромозмісних матеріалах та виробах 2-4 %; ZгО₂ у матеріалах, що містять цирконій, – 5-15%. Теплоізоляційні мулітокремнеземисті матеріали та вироби нетоксичні, пожежо- і вибухобезпечні. Важливо підкреслити, що в той час як найкращі зразки мінеральної або базальтової вати і виробів з них витримують температури застосування не вище 700°С, звичайні мулітокремнеземисті вогнетривкі матеріали та вироби з них застосовують у тривалих режимах за температури 1150-1300°С, а в разі одноразового використання, наприклад, для утеплення головної частини злитків і виливків з чавуну та сталі, – за температур до 1600°С. Причому якщо раніше на підприємствах у нашій країні та за кордоном не виробляли волокнисті мулітокремнеземисті вогнетривкі матеріали з температурою експлуатації 1300-1400 °С, то на ТОВ “Синтиз” цю проблему розв’язали, як уже зазначалося, за рахунок виготовлення мулітокремнеземистого волокна, що містить у своєму складі оксиди цирконію. Теплоізоляційні мулітокремнеземисті матеріали та вироби в багатьох випадках можуть застосовуватися замість виробів з азбесту, який, як відомо, має канцерогенні властивості.

Розміри волокнистих вогнетривких мулітокремнеземистих матеріалів і виробів за ТУ У 26.2-00190503-275:2005, мм
Продукція, що випускається	Товщина	Ширина	Довжина
Рулонний матеріал	20, 30, 40	600 – 1400	5000 – 15 000
Повсть (Войлок)	20, 30, 40	600 – 1400	500 – 15 000
Плити	30, 40, 50, 60	400, 500	600, 700
Картон	3, 4, 5, 6, 7	500 – 800	800 – 1200
Фетр	15 – 35	600 – 1400	1000 – 10 000

Випробування, проведені фахівцями Національної Академії наук України, засвідчили, що найкраща термостійкість мулітокремнеземистих вогнетривких волокон виробництва ТОВ “Синтиз” досягається за масової частки (на прожарених речовинах) Аl2О3 в межах 51-52 % і сумарного вмісту (Аl2О3 + SiО2) > 97,5 %. При модифікації сировини ZгO2 найкращі результати досягаються при вмісті ZгO2 в межах 10-15 %. У цьому випадку сумарний вміст Аl2О3 + SiО2 знижується до 85 %. Розвиток технології виробництва вогнетривких мулітокремнеземистих волокон і виробів з них передбачається в напрямі подальшого відпрацювання температурних режимів плавки та волокноутворення, удосконалення конструкцій дуттьових волокноутворювальних сопел, оптимізації складів вихідної шихти з метою зменшення частки глинозему в шихті за рахунок використання природних каоліну або кіаніту. Плавлення сирого каоліну пов’язане з певними труднощами, тому з тією ж метою може бути використаний шамот на основі природних алюмосилікатів. Виконані дослідження показали, що плавлення шамоту протікає в режимі, аналогічному режиму плавлення шихти, що складається з глинозему і кварцового піску в співвідношенні 1:1. Природний каолін або кіаніт, а також шамот можуть бути використані як добавки до шихти, що складається з глинозему і кварцового піску, що значно знижує вартість продукції.

Наразі ТОВ “Синтиз” виробляє та гарантує якість теплоізоляційних вогнетривких матеріалів під торговою маркою “SINTIZ®” для різних напрямків промисловості за раніше розробленими та успішно впровадженими технологіями ПАТ “Синельниківська теплоізоляція”.

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