¹Гришин Н.Н., ¹Крашенинников О.Н., ¹Бастрыгина С.В., ¹Белогурова О.А., ²Гусев Б.В.

¹Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской Академии наук (ИХТРЭМС КНЦ РАН), Апатиты, Россия;

²Московский государственный университет путей сообщения (МГУПС), Москва, Россия

There has been created a method permitting to plan experiments and adequately assess the heat conductivity of multilayer linings at temperatures exceeding 1300^oC. There have been determined time responses for the temperature front, temperature distribution in stationary state, and the contribution of various-purpose layers to the lining heat-insulating ability. The lining equivalent heat conductivity has been experimentally determined.

Composite lining was developed in this work. It consists of two layers: the 1^st layer being slag-resistant and heat-resistant, from forsterite refractory bricks and the 2^nd, structural and heat-resistant, made of heat-resistant vermiculite concrete. Experiments with heat and mass transfer are carried out with the help of a special device fitted into the composite lining, modelling the heat transfer in the rod without a side heat removal, making it possible to create a special temperature regime.

Футеровки высокотемпературных типовых агрегатов являются многофункциональными. С одной стороны они теплоизолируют высокотемпературное тело от окружающей среды и гасят ударные тепловые нагрузки, с другой стороны - находятся в контакте с агрессивными средами: расплавами металлов и шлаков, химически активными газами. Практика показывает эффективность создания многослойных футеровок с распределением функций по слоям. При этом монофункциональные материалы практически отсутствуют, особенно это относится к теплоизолирующим материалам, находящимся в контакте с агрессивными средами.

В современной металлургии используются комбинированные футеровки из огнеупоров с распределенными функциями: шлакоустойчивость, термостойкость, теплопроводность, механическая прочность. Для реализации такого распределения, футеровки делают многослойными как в глубину от горячей зоны к броне, так и по высоте теплового агрегата: шлаковый пояс, днище, стены. Наибольшую нагрузку как по интенсивности, так и по комплексности воздействия (шлак, расплав металла, температура) несут внутренние слои футеровки. Теплоизолирующая функция переносится на внешний слой, который формируется из материалов, мало устойчивых к одновременному воздействию агрессивных сред и высоких температур. Поэтому распределение температуры по толщине многослойной футеровки является необходимой информацией при ее проектировании и эксплуатации.

Процессы теплопереноса, происходящие в структуре многослойных футеровок и ограждающих строительных конструкций характеризуются уравнениями баланса масс, импульса и энергии для открытых систем [1].

В настоящей работе получено удобное для экспериментальной проверки аналитическое выражение зависимости эквивалентного коэффициента теплопроводности (l_экв) от средней плотности (r) многослойной футеровки:

,                                                                                                                                           (1)

где коэффициенты А₀, А₁, А₂ зависят от концентрации дефектов кристаллической решетки, параметров фонон-фононного, фотон-фотонного и фонон-фотонного взаимодействия в матрице, взаимодействия фононов с дефектами и чужеродными атомами, скорости звука [2].

Коэффициент эквивалентной теплопроводности многослойной теплоизоляции имеет зависимость от кажущейся средней плотности, аналогично однослойной. Такая зависимость открывает возможность экспериментальной проверки особенностей теплоизолирующей способности многослойных материалов, опробованную на многослойных образцах из полистиролгазобетона размерами 250´250´50 мм на установке для определения коэффициента теплопроводности строительных материалов [3]. Изучены одно, двух и трехслойные конструкции из полистирола и газобетона. При одинаковой средней плотности абсолютные значения λ_экв  однослойного (газобетон) и многослойных полистиролгазобетонных образцов отличаются вдвое. Такое существенное различие теплопроводности вызвано в первую очередь отражательной способностью слоя полистирола. Эффект уменьшения теплопроводности жаростойкого бетона в многослойных футеровках реализован  за счет использования, имеющего чешуйчатое строение, вермикулита [4].

Разработана композиционная футеровка, состоящая из двух слоев: 1-й слой - шлакоустойчивый, термостойкий из форстеритового огнеупорного кирпича, 2-й слой - конструкционно-теплоизоляционный из жаростойкого вермикулитобетона. В качестве основных материалов для первого слоя футеровки использовали горнопромышленные породы, представленные в основном негидратированными магнезиальными силикатами (оливиниты Ковдора и Хабозера, дуниты Падос-тундры). В качестве заполнителя жаростойкого бетона использовался вспученный вермикулит, выпускаемый ОАО «Ковдорслюда» и представляющий собой высокотемпературный негорючий слоистого строения материал насыпной плотностью около 150 кг/м³. Огнеупорные слои соединены между собой связкой на периклазовом цементе с добавкой MgCl₂·6H₂O, теплоизоляционные - связкой на портландцементе.

Состав форстеритового бетона: наполнитель - сырой или обожженный магнезиальный силикат; вяжущее - тонкомолотый мелкозернистый магнезит, обожженный при низкой температуре; ускорители твердения - гидратные соли серной и соляной кислот MgCl₂·6H₂O, MgSO₄·7H₂O. Физико-технические свойства форстеритового бетона: плотность - 2400 кг/м³, прочность - 25 МПа, термостойкость - более 30 теплосмен (1300°С - воздух), коэффициент теплопроводности - 1.8 Вт/(м×°С). Состав жаростойкого вермикулитобетона: портландцемент М400, золошлаковая смесь Апатитской ТЭЦ, вермикулит вспученный, вода. Физико-технические свойства бетона: плотность - 775 кг/м³, прочность - 2.3 МПа, остаточная прочность после нагрева - 36%, коэффициент теплопроводности - 0.25 Вт/(м×°С), допустимая температура применения - 1000°С.

Вследствие сложной температурной зависимости коэффициента теплопроводности от температуры  невозможно по начальным условиям определить температурное поле внутри футеровки и перепады температур на каждом ее слое, необходимые для конструирования [5]. Для экспериментального изучения теплопереноса в композиционной футеровке смонтирована установка (рисунок 1), моделирующая теплоперенос в стержне без бокового теплоотвода и позволяющая создавать необходимый температурный режим высокотемпературного промышленного агрегата. На границах и в середине слоев футеровки устанавливались термопары, позволяющие фиксировать изменения температуры, которая записывалась каждые 20 мин. От внешней среды с боковой поверхности футеровка изолировалась 4-я слоями муллитокремнеземистого войлока.

Реализованная экспериментальная модель «стержня» позволяет по измеренной заранее теплопроводности внешнего слоя футеровки определить тепловой поток (q) стержня через его сечение:

                                                                                                                                                           (2)

и эквивалентную теплопроводность всей футеровки или любого ее фрагмента:

,                                                                                                                                                           (3)

где Т_н - температура горячей поверхности;   Т_к - температура холодной поверхности;  δ - толщина i-того слоя;      q - тепловой поток.

В проведенных экспериментах при фиксированной температуре горячей  поверхности футеровки (температура печи) и температуре окружающей среды систему доводили до стационарного состояния. При установившемся тепловом потоке снимали показания термопар, вычисляли q и l_экв.

                                                       Т_н=Т₁      Т'₁       T₂    T'₂       T₃=Т_к

Рис. 1.  Структурная схема установки по измерению распределения температур в многослойной

            футеровке: Т₁, Т'₁,Т₂, Т'₂,Т₃ - температуры внутри футеровки.

            1- высокотемпературная печь; 2 - огнеупор; 3 -теплоизоляция; 4 - вермикулитобетон;

            5 - регистрирующий прибор; 6 - таймер

При общей толщине футеровки 0.28 м (0.13 м - форстеритовый огнеупор, 0.15 м - жаростойкий вермикулитобетон) стационарный тепловой режим установился через 500 мин (рисунок 2) и эквивалентная теплопроводность составила 0.415 Вт/(м·°С) при температуре на «горячей» поверхности футеровки - 1300°С, на «холодной» - 145°С.

Рис. 2.  Изменение температуры футеровки в зависимости от времени

В контрольном эксперименте были известны теплопроводности материалов обоих слоев футеровки в заданном температурном интервале, позволившие вычислить тепловой поток q по общему перепаду температур. Варьированием относительных толщин огнеупора (δ_огн) и жаростойкого бетона (δ_жб) экспериментально получены следующие значения тепловых потоков и эквивалентных теплопроводностей при начальной температуре  1300°С:

δ_огн=0.13 м, δ_жб=0.15 м,         q₁=1726 Вт/м² при Т_к=145°С, l_экв=0.416 Вт/(м×°С);

δ_огн=0.10 м, δ_жб=0.18 м,         q₂=1559 Вт/м² при Т_к=90°С,  l_экв=0.361 Вт/(м×°С);

δ_огн=0.15 м, δ_жб=0.13 м,         q₃=1810 Вт/м² при Т_к=190°С, l_экв=0.456 Вт/(м×°С).

Таким образом, экспериментально подтверждено, что реализованная модель «стержня» без боковых теплопотерь по его длине позволяет по измеренным температурам экспериментально изучать футеровки, состоящие из слоев различной функциональной нагрузки и по полученным данным подбирать их конструкции с требуемыми температурами горячей и холодной поверхностей.

Литература

1. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства / Б.В.Гусев, В.И.Кондращенко, Б.П.Маслов, А.С.Файвусович. - М.: Научный мир, 2006. - 559 с.
2. Белогурова О.А., Гришин Н.Н., Иванова А.Г. Экспериментально - теоретическое изучение теплопроводности и ее влияния на термостойкость форстеритовых огнеупоров // Огнеупоры и техническая керамика.- 2003.- № 12.- С.4-15.
3. Пак А.А., Сухорукова Р.Н., Гришин Н.Н. Композиционные изделия из полистиролгазобетона и обоснование зависимости их теплопроводности от плотности и слоистости материала / // Строительные материалы. - 2006. - № 6. - С. 28-30.
4. Крашенинников О.Н. Вермикулитозолобетон для высокотемпературной теплоизоляции нагревательного оборудования // Новые огнеупоры. - 2006. - № 2. - С.15-19.
5. Газокинетическая модель теплопроводности огнеупоров / С.О. Гладков, Н.Н. Гришин, В.Т. Калинников, О.А. Белогурова // Огнеупоры и техническая керамика.- 2005.- №8.-С. 26-34.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2