Источник:

Hult G. Nykyaikaisia näkökohtia tulenkestävistä tiilistä // Teknillinen aikakauslehti. 1930. № 11. – S. 76-94.

Текст представлен в машинном переводе с финского.

 

СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ОГНЕУПОРНЫЕ КИРПИЧИ

Горный инженер Гуннар Хульт, Хёганес.

Затраты на огнеупорные кирпичи составляют значительную часть расходов промышленных предприятий. Так, например, тепловая электростанция мощностью 20.000 кВт, работающая на угле, ежегодно использует огнеупорных кирпичей на сумму 100.000–200.000 финских марок. Соответствующая годовая сумма для сульфатно-целлюлозного завода производительностью около 50.000 тонн составляет 300.000–400.000 финских марок. Современный шведский сталелитейный завод с годовым объемом производства около 25.000 тонн потребляет ежегодно огнеупорных кирпичей на сумму более 1 миллиона финских марок.

Затраты, связанные с использованием долговечных кирпичей в промышленных объектах, зависят от условий, на которые могут влиять как производитель кирпичей, так и их потребитель. Основными факторами, влияющими на долговечность кладки, являются:

1) Выбор кирпичей подходящего качества для каждой части печи.

2) Правильное хранение и обращение с кирпичами.

3) Правильное выполнение кладки.

4) Целесообразная конструкция печи.

5) Способ эксплуатации и обращение с печью при начале и окончании отопления.

При выборе кирпича, помимо непосредственных затрат на кирпич, необходимо учитывать прямые или косвенные затраты, связанные с простоями, вызванными более или менее частыми ремонтами, которые, как правило, играют еще более значительную роль, чем предыдущие. Это особенно актуально, если в наличии нет достаточного количества запасных агрегатов. Поэтому важно уделять необходимое внимание огнеупорным материалам и их обработке и стремиться к максимальной долговечности кладки, поскольку экономическая значимость этого вопроса очевидна.

Для достижения наилучших результатов производитель кирпича и его пользователь должны работать вместе, поскольку прочность зависит от факторов, на которые может повлиять и производитель.

Производитель кирпича должен следить за развитием ситуации с помощью исследований и пробных кладок, чтобы предлагать потребителям кирпичи, наиболее подходящие для каждого конкретного назначения. Наиболее подходящий кирпич в практическом смысле означает самый дешевый, что не всегда соответствует самой низкой цене. Самый дешевый кирпич часто может оказаться довольно дорогим в практическом применении и наоборот, поскольку всегда необходимо учитывать также условия эксплуатации.

Пользователь кирпича, в свою очередь, должен позаботиться о том, чтобы кирпич был правильно уложен и чтобы при укладке, в начале и во время перерыва в работе, с ним обращались надлежащим образом. Даже самый лучший кирпич может дать плохие результаты, если неправильно его уложить или обращаться с ним. Кроме того, даже самая тщательно выполненная кладка и самое осторожное использование не помогут, если качество кирпича не соответствует его назначению.

Чтобы предложить потребителю кирпич нужного качества, производитель кирпича должен точно знать условия, в которых кирпич будет использоваться, а потребитель, т. е. инженер-эксплуатационник, должен хорошо знать свойства кирпича, чтобы правильно с ним обращаться. Для выполнения этих условий крайне важно сотрудничество между производителем кирпича и потребителем.

Это сотрудничество, которое раньше не было широко распространено, стало необходимым в связи с развитием техники, которое, в свою очередь, привело к более интенсивному использованию печей и все более высоким требованиям к качеству кирпича. Повышенные требования могут быть частично удовлетворены путем изменения качества кирпича, а частично — путем более целесообразной обработки кирпича, основанной на более точном знании его свойств.

Höganäs—Billesholms A.-B. в последнее время активно работает над установлением более тесного технического сотрудничества со своими потребителями. В компании работают три инженера, чья задача — в первую очередь предоставлять потребителям в своей стране консультации и разъяснения по вопросам, связанным с кирпичом.

В настоящее время компания Höganäs прилагает все усилия, чтобы определить, какой тип кирпича наиболее подходит для конкретных целей. Для этого исследовательский отдел компании, в состав которого входят пять инженеров, проводит обширные исследования. В рамках этой деятельности проводятся практические испытания кладки, которые изучаются во всех условиях эксплуатации. Кладка фотографируется, измеряется количество расплавления, а из использованных кирпичей берутся образцы для лабораторных испытаний. В настоящее время в Швеции такие пробные кладки проводятся примерно в тридцати печах различного типа.

Ниже кратко представлены некоторые аспекты оценки огнеупорных кирпичей и их свойств на сегодняшний день с использованием примеров из практики.

Идеального огнеупорного кирпича, который подходил бы для всех возможных нужд, не существует. Например, кирпич, который обладает высокой стойкостью к определенному виду шлака, может быть весьма чувствительным к перепадам температуры, и наоборот. Свойства кирпича должны быть результатом компромисса, при котором были учтены существенные требования, предъявляемые в данном случае. Конечно, необходимо знать, какие требования являются существенными, но для этого также необходимо знать причины, вызывающие разрушение кирпича в каждом конкретном случае. Порчу кирпича невозможно избежать, что с точки зрения производителя кирпича является благом, но ее можно отсрочить на максимально долгий срок, выбрав подходящий сорт кирпича и обращаясь с ним осторожно.

Существенными свойствами, по которым следует оценивать пригодность кирпича для различных целей, являются:

1) Огнестойкость.

2) Устойчивость к разрушающему воздействию твердых и жидких веществ и газов печи.

3) Неизменность объема.

4) Способность выдерживать перепады температуры.

5) Форма и степень сухости при кладке.

 

1) Огнестойкость.

Огнестойкость огнеупорного материала определяется частично по точке плавления, частично по температуре размягчения.

Точка плавления определяется с помощью конусов Зегера таким образом, что пирамида, изготовленная из исследуемого вещества, нагревается в специальной электрической печи вместе с конусами Зегера, т. е. небольшими пирамидами, изготовленными из керамических масс с известными свойствами размягчения. Точка плавления вещества указывается номером конуса, который по своим свойствам размягчения наиболее похож на исследуемое вещество.

Керамические материалы не имеют четко определенных точек плавления, а обладают широким диапазоном размягчения, как, например, стекло и глина. Диапазон размягчения шамотных кирпичей, например, может составлять 400–500 °C. Точка плавления конуса не означает фактическую точку плавления, а определяет степень размягчения без нагрузки. По этой причине определение точки плавления по конусу является довольно сложной задачей, и даже самые авторитетные испытательные лаборатории могут получить для одного и того же материала результаты, которые различаются даже на 2 номера конуса.

Хотя коэффициент плавления является неким показателем огнестойкости кирпича, его значение не следует переоценивать при оценке пригодности кирпича к использованию. Многие пользователи кирпича уже давно привыкли выбирать качество кирпича, ориентируясь исключительно на коэффициент плавления. Однако это привело к множеству ошибок, поскольку часто о пригодности кирпича для определенного назначения решают совсем другие характеристики, а не конусная точка плавления. Точка плавления не указывает температуру, которой кирпич может подвергаться при нормальном использовании. Кирпич не выдерживает нагрева до точки плавления, поскольку другие характеристики, прежде всего склонность кирпича к размягчению под нагрузкой, в практическом плане ограничивают его пригодность для использования при значительно более низких температурах. В настоящее время тенденция такова, что точке плавления придается меньшее значение, чем раньше. Разница в одной или нескольких точках плавления не имеет большого значения при оценке огнестойкости различных марок кирпича.

На практике более определяющим показателем огнестойкости кирпича является так называемая температура размягчения, под которой понимается температура, при которой кирпич начинает изменять свою форму под нагрузкой 2 кг/см. Эта нагрузка несколько превышает нагрузку, которой кирпич обычно подвергается при кладке.

Практическое значение температуры размягчения гораздо выше, чем температуры плавления. Высокая температура плавления, конечно же, бесполезна, если температура размягчения настолько низкая, что она превышается на практике.

В качестве практического примера возьмем печь Мартена, которая, как известно, используется для плавки железа и стали, и температура в которой является одной из самых высоких среди промышленных печей. В течение одного цикла плавки температура колеблется между 1600 и 1700 °C, тогда как в крупных промышленных печах, таких как паровые котлы, цементные печи, известковые печи и купольные печи, она редко поднимается выше 1400–1500 °C.

При кладке печей Мартена необходимо использовать кирпичи с особенно высокой температурой размягчения. Сравнивая две основные группы, а именно шамотные и силикатные кирпичи, можно заметить, что в данном случае подходят только силикатные кирпичи. Температура плавления первоклассного шамотного кирпича такая же высокая, как и у силикатного кирпича, но температура размягчения настолько ниже рабочей температуры печи, что этот вид кирпича не может быть принят во внимание. Силикатный кирпич действительно является единственным материалом, который можно с успехом использовать для сводов и стен печей Мартена.

Значение температуры размягчения несколько различается в зависимости от конструкции кладки и положения кирпичей в ней. Кирпич в стене печи может хорошо выдерживать нагрузку, даже если температура размягчения превышена. Это связано с тем, что только внутренняя часть кладки нагревается до температуры размягчения, в то время как большая часть кладки остается ниже температуры размягчения из-за теплопроводности внешней стены печи, и таким образом конструкция сохраняет необходимую прочность.

Если же кладка изолирована настолько тщательно, что теплопроводность становится слишком низкой, температура размягчения может быть превышена на слишком большой части кладки, и стена перестанет выдерживать нагрузку и обрушится.

Конструкция перекрытия значительно более прочная, чем стена, поскольку она, так сказать, должна сама себя поддерживать. Давление может стать значительным из-за теплового расширения кирпича, и его смягчение оказывает более вредное воздействие, чем в случае со стеной.

Однако наибольшее внимание к температуре размягчения следует уделять в тех случаях, когда пламя или горячие дымовые газы обжигают кирпич со всех сторон, как, например, в регенераторах с вертикальным кирпичом. В этом случае, конечно, не может происходить теплопроводность, и кирпич в целом достигает температуры окружающей среды. В качестве примера можно привести Коупер-нагреватель. Эти печи используются для нагрева воздуха, подаваемого в большие коксовые печи. Нагреватель нагревается путем сжигания печного газа в топке. Во время нагрева температура верхних кирпичей становится очень высокой, и их трудно выдержать.

Сравнивая между собой два основных типа кирпичей, а именно шамотный и силикатный, можно заметить, что температура размягчения силикатного кирпича значительно выше, чем у шамотного.

Для большинства печей температуры размягчения шамотных кирпичей достаточно. В некоторых типах печей, напротив, используются настолько высокие температуры, что необходимо использовать силикатные кирпичи.

Огнестойкость кирпича, т. е. его температура плавления и размягчения, в значительной степени зависит от его химического состава. Однако оценка огнестойкости кирпича на основе химического анализа является крайне ненадежной, а во многих случаях и невозможной. Ниже приведены несколько общих соображений по поводу такой оценки.

Огнестойкость обычных шамотных кирпичей увеличивается с ростом содержания глины и уменьшается с увеличением количества примесей. В данном случае к примесям (швед. также flussmedel) относятся оксид железа, известь, магнезия и щелочи.

Содержание SiO₂ в силикатных кирпичах должно быть максимально высоким. Следовательно, примесей должно быть как можно меньше.

В качестве общего правила можно считать, что чем чище сырье, тем выше огнестойкость. Примеси снижают температуру плавления и температуру размягчения кирпича.

Однако температура размягчения зависит не только от состава кирпича, но и от его плотности. При прочих равных условиях температура размягчения плотного кирпича выше, чем пористого, который имеет меньшую сопротивляемость сжатию.

 

2) Устойчивость к разрушающему воздействию твердых и жидких веществ и газов печи.

Твердые вещества вызывают в некоторых печах прямое механическое изнашивание в тех местах, где они соприкасаются с кирпичом. Так происходит, например, в верхней части доменных печей, купольных печах и известковых печах. Для предотвращения износа в этих местах выбирают максимально твердые и плотные кирпичи.

Текучее вещество, которое встречается в промышленных печах, может быть разнообразным, например, металлы, шлак, стекло и содовый расплав. Текучее вещество также в некоторой степени изнашивает кирпичи, однако их разрушение в данном случае в основном происходит под воздействием химических веществ. Расплавленное вещество постепенно проникает внутрь кирпича, снижая его огнестойкость. Износ происходит частично из-за того, что кирпич плавится, если температура плавления кирпича, состав которого изменился, становится достаточно низкой, а частично из-за того, что температура размягчения слишком снижается, что может привести к быстрому износу и обрушению стен.

Печные газы также часто оказывают разрушающее воздействие на кирпич, особенно при высокой температуре. В этом случае основными факторами являются частицы шлака, переносимые пламенем и газами, которые воздействуют на кирпич таким же образом, как и вышеупомянутые текучие вещества. Кроме того, следует учитывать прямое механическое воздействие печных газов на размягченный кирпич.

Интенсивность воздействия шлака зависит от температуры, качества шлака и свойств кирпича.

Основной причиной разрушения является проникновение шлака в поры и швы и связанное с этим снижение огнестойкости. Вторичными явлениями являются плавление и размягчение, а также вызванные ими коррозия и ослабление кладки.

В одинаковых условиях воздействие шлака тем сильнее, чем выше температура, и, наоборот, тем слабее, чем тверже кирпичи.

Химический состав кирпича также часто имеет большое значение. Однако этот факт часто упускают из виду, не придавая должного значения плотности кирпича как свойству, противодействующему пагубному воздействию шлака.

Раньше было принято классифицировать огнеупорные материалы по кислотности, нейтральности и щелочности. Этот метод используется и по сей день. Цель такой классификации — дать уже в названии вещества объяснение его устойчивости к различным видам шлака и различным коррозионным веществам. Таким образом, кислотное вещество должно хорошо подходить для печей, шлак которых является кислым и т. д. Однако в действительности многие шлаки разъедают как кислотные, так и нейтральные и щелочные вещества. В качестве примера можно упомянуть медный шлак и многие шлаки паровых котлов. Поскольку разрушительное воздействие шлака в значительной степени зависит от температуры в печи, упомянутая классификация зачастую не имеет практического обоснования и должна считаться частично устаревшей. Кроме того, в рассматриваемой области существует некоторая путаница в понятиях. Один и тот же шамотный кирпич может быть отнесен то к кислой, то к нейтральной, то к щелочной группе. Поэтому разумнее по возможности избегать этой классификации и полагаться на анализ.

Однако, поскольку термины «кислый», «нейтральный» и «щелочной» кирпич все еще в некоторой степени используются как в литературе, так и на практике, ниже кратко объясняется основа этого разделения.

К кислым типам кирпича относятся те, которые содержат много кремниевой кислоты. К этой группе относятся силикатные кирпичи, песчаник, динасовые кирпичи и, по сути, большинство шамотных кирпичей. Содержание SiO₂ в шамотных кирпичах почти всегда превышает 50%.

К нейтральным сортам относятся хромистые кирпичи, угольные кирпичи и карборундовые кирпичи.

К щелочным кирпичам относятся кирпичи, содержащие большое количество некоторых оксидов металлов, такие как глинистые и бокситовые кирпичи, магнезитовые, доломитовые и циркониевые кирпичи.

Шамотные кирпичи, которые являются наиболее распространенными и безусловно наиболее важными, наиболее удобно подразделять на следующие группы: нормальные шамотные кирпичи, шамотные кирпичи с высоким содержанием кремнекислоты и глинистые шамотные кирпичи.

Под нормальными шамотными кирпичами понимаются кирпичи с содержанием глины 38–46 %. Они изготавливаются из так называемой нормальной огнеупорной глины без добавления глинистой земли или кварца. Максимально возможное содержание глины в глине составляет 46 %. Высокое содержание глины в шамотных кирпичах свидетельствует о чистоте материала и, следовательно, о его огнеупорности. Однако, как уже упоминалось ранее, высокое содержание глины не является единственным определяющим фактором, физические свойства кирпича также имеют большое значение. Вполне возможно, что кирпич с меньшим содержанием глины окажется лучше, чем кирпич с большим содержанием глины.

Нормальные шамотные кирпичи часто совершенно нелогично называют щелочными, а иногда даже перещелочными, в зависимости от небольших колебаний содержания глины. Однако следует с большой осторожностью подходить к выводам о пригодности кирпича на основании этих небольших колебаний содержания глины в обычном шамотном кирпиче. Значение таких колебаний весьма незначительно по сравнению с колебаниями физических свойств кирпича.

Помимо нормальных шамотных кирпичей, как уже упоминалось, существуют также кирпичи с высоким содержанием кремнекислоты и глины, которые производятся путем добавления к основному сырью значительного количества веществ, содержащих кремнекислоту или глину. Кислотоупорные кирпичи менее огнеупорны, а глинистые кирпичи более огнеупорны, чем обычные шамотные кирпичи. Однако глинистые шамотные кирпичи довольно дороги и поэтому могут использоваться только для специальных целей.

Как в Америке, так и в Европе уже давно пытаются разработать надежный метод исследования, с помощью которого можно было бы изучить устойчивость кирпича к воздействию различных видов шлака. Однако до сих пор все методы оказались неудачными из-за того, что условия экспериментов слишком сильно отличаются от реальных условий. По этой причине подобные лабораторные испытания легко приводят к ложным выводам.

Единственный надежный способ изучить влияние шлака в настоящее время — это провести испытательные обжиги в полноразмерных промышленных печах, исследовать кирпичи во время простоев и объединить результаты испытаний, одновременно записывая условия, существовавшие в печи во время эксплуатации.

Насколько сложными могут быть эти условия, видно, в частности, из того, что влияние шлака в большинстве случаев различается в зависимости от того, является ли газовая смесь в печи восстанавливающей или окисляющей. Следующая диаграмма, полученная в результате заслуживающих признания работ Виккерса Теобальда, ясно иллюстрирует эту ситуацию.

Диаграмма показывает, как определенное содержание железа влияет на глинистую смесь в различных печных газах. Железо присутствует практически в большинстве видов шлака, поэтому исследование имеет непосредственное практическое значение. Мы видим, что при содержании оксида железа 2,5 % температура плавления колеблется от 150 до 250 °C в зависимости от того, является ли газовая смесь в печи окисляющей или восстанавливающей. Эта разница объясняется тем, что в окисляющей газовой смеси железо присутствует в виде оксида железа, который не соединяется с кремниевой кислотой кирпича, тогда как в восстанавливающей газовой смеси оно присутствует в виде оксидов железа, которые с кремниевой кислотой образуют легкоплавкий оксидосиликат железа.

В печи Мартена газовая смесь окисляется, а железосодержащий шлак печи по сравнению с силикатной кладкой печи является относительно безвредным. Газовая смесь в паровой котельной железосодержащая, по крайней мере, периодически, в результате чего температура плавления железосодержащей угольной золы снижается. Зола плавится, уносится небольшими частицами вместе с пламенем и впитывается в кирпичи, что снижает их огнестойкость. По имеющимся сведениям, кладку топок, обогреваемых угольным порошком, удавалось защитить, продувая воздух вдоль стен, так что в непосредственной близости от поверхности кладки образовывалась окисляющаяся газовая смесь.

На следующих фотографиях представлены огнеупорные кирпичи, которые подвергались типичному воздействию шлака.

 

3) Неизменность объема.

Огнеупорный кирпич при нагревании несколько расширяется. На следующем рисунке показано тепловое расширение стандартных марок компании Höganäs.

Сравнительно небольшое тепловое расширение шамотных кирпичей не оказывает никакого вредного воздействия на печные конструкции, в которых используются эти кирпичи. При температуре около 1200 °C расширение прекращается, и при дальнейшем нагревании кирпич несколько сжимается. Это сжатие является постоянным и не следует путать его с нормальным тепловым расширением кирпича и сжатием при охлаждении. Усадка проявляется в том, что объем кирпича после охлаждения становится немного меньше, чем до нагрева. Это изменение объема, называемое постобжиговой усадкой, является важным показателем качества кирпича. Постобжиговая усадка определяется следующим образом: образец кирпича выдерживается в течение 2 часов при температуре 1400 °C, после чего охлаждается и измеряется изменение его длины.

Некоторые виды шамотных кирпичей имеют высокую степень усадки, что может негативно повлиять на кладку. При остывании печи кирпич усаживается до меньшего объема, чем изначально, и раскрываются швы, что приводит к сильному воздействию шлака и общему ослаблению конструкции.

У шамотных кирпичей компании Höganäs последующее усаживание марки Krona является минимальным. Затем следуют марки *Stabbarp*, Bjuf F и Höganäs. Однако следует отметить, что усаживание происходит только после нагрева кирпича до высокой температуры. Если кирпич используется в печи, температура которой не поднимается до температуры усадки, т. е. до 1400–1500 °C, то, конечно, не нужно опасаться каких-либо негативных последствий, даже если усадка кирпича будет более значительной.

Силикатный кирпич имеет высокий коэффициент теплового расширения, особенно при низких температурах (см. диаграмму на рисунке 10). Поэтому при первоначальном нагреве и охлаждении печей, выложенных из силикатного кирпича, необходимо соблюдать особую осторожность. Быстрый первоначальный нагрев или охлаждение вызывают большие напряжения в кладке, под воздействием которых кирпич в той или иной степени разрушается.

При использовании силикатного кирпича в кладке необходимо делать деформационные швы из-за большого теплового расширения кирпича. Для этого в соответствующих местах в швах размещаются деревянные планки. Когда печь нагревается, дерево постепенно обугливается и сгорает, оставляя кирпичам пространство для расширения без повреждения кладки.

 

4) Способность выдерживать перепады температуры.

Под воздействием повторяющегося нагрева и охлаждения огнеупорный кирпич имеет тенденцию раскалываться. Такие случаи показаны на следующих фотографиях.

Колебания температуры возникают, в частности, в печах, которые часто приходится охлаждать и снова нагревать. Типичным примером являются паровые котлы, которые обычно охлаждаются каждое воскресенье и иногда работают только несколько часов в сутки, в результате чего кладка подвергается постоянным перепадам температуры.

Способность кирпича выдерживать перепады температуры зависит от его коэффициента теплового расширения, поэтому шамотный кирпич гораздо менее чувствителен к перепадам температуры, чем силикатный. Поэтому в паровых котлах по возможности следует использовать шамотный кирпич. Однако могут быть случаи, когда более подходящими будут кирпичи другого типа.

С развитием техники к паровым котлам предъявляются все более высокие требования. Нагрузки увеличиваются, в результате чего температура в топке становится выше, чем раньше. Это, конечно, не может не повлиять на кирпичи, используемые в топке. Пришлось заменить менее огнеупорные шамотные кирпичи на более огнеупорные. В последнее время развитие пошло так далеко, что даже лучший шамотный кирпич не всегда является достаточно прочным. Температура топки в некоторых случаях настолько высока, что в наиболее нагруженных частях топки она значительно превышает температуру размягчения шамотных кирпичей. По этой причине на материке начали проводить широкомасштабные испытания по использованию силикатного кирпича вместо шамотного, поскольку считалось, что высокая температура размягчения силикатного кирпича гарантирует его большую прочность. Кирпич хорошо выдерживал температуру топки, но в итоге все же оказался непригодным. Причиной этого был его высокий коэффициент теплового расширения и плохая устойчивость к тепловым колебаниям. По этой причине пришлось отказаться от использования силикатов в качестве кирпичей для паровых котлов и изобрести другие способы для тех случаев, когда шамотные кирпичи не выдерживают нагрузки.

В таких особых случаях хорошо зарекомендовали себя специальные марки компании Höganäs – Sicto и Sictex. Эти кирпичи обладают высокой огнестойкостью и хорошо выдерживают перепады температур.

Для определения устойчивости к перепадам температур в лабораториях, особенно в Германии, в настоящее время используется так называемый метод закалки (по-немецки Abschreckenverfahren). Процедура заключается в следующем: испытуемый кирпич нагревают до 850 °C, затем погружают в холодную воду, нагревают и погружают снова, повторяя эту процедуру до появления трещин на поверхности кирпича. Количество закалок, которые выдержал кирпич, выражается в виде так называемого коэффициента разрушения. Однако этот тест кажется довольно грубым, поскольку он нагружает кирпич совсем иначе, чем тепловые колебания, возникающие при эксплуатации. Тем не менее, он может служить своего рода ориентиром при относительной оценке устойчивости кирпича к тепловым колебаниям.

Некоторые потребители требуют, чтобы кирпич выдерживал 6 циклов термоударопрочности, но это требование не имеет под собой никаких реальных оснований. Производителю кирпича не составляет труда изготовить кирпичи с максимально высоким показателем разрушаемости, но от этого могут пострадать другие, более важные свойства кирпича.

 

5) Форма и степень сухости при кладке.

Внешним характеристикам кирпича часто уделяется слишком мало внимания. Кирпич должен иметь точные размеры. Как правило, производители огнеупорного кирпича не могут гарантировать точность более ±2 % по длине, что обычно является достаточным. В некоторых случаях, когда требуется максимально уменьшить швы, требуется еще меньшее отклонение по размерам, и тогда необходимо шлифовать кирпичи.

Крупным предприятиям обычно целесообразно приобрести для этого шлифовальную машину, так как кирпичи лучше всего шлифовать на месте кладки. Конечно, производитель кирпича также может заранее отшлифовать кирпичи. Хотя этот способ не так практичен, как предыдущий, к нему следует прибегать в тех случаях, когда потребление кирпича покупателем настолько мало, что приобретение собственной шлифовальной машины для кирпича нецелесообразно. Для таких случаев компания Höganäs также предлагает шлифовальные машины для потребителей, которые хотят получить готовые к использованию кирпичи.

По возможности следует избегать использования кирпичей с поврежденными углами, и ни в коем случае не следует укладывать кирпичи с поврежденными углами на внутреннюю поверхность печи. Они утратили свой защитный слой и уже не так устойчивы к воздействию шлака, как целые кирпичи. Углы могут повредиться при транспортировке, погрузке и разгрузке. Поэтому при хранении кирпичей также следует соблюдать осторожность. При кладке кирпичи должны быть сухими. Это касается в первую очередь силикатных кирпичей, но также и шамотных кирпичей. Если кирпичи намокли при транспортировке, их необходимо перед кладкой высушить.

Из вышесказанного следует, что представления о том, какие свойства и испытания следует считать определяющими при оценке свойств огнеупорного материала, в некоторой степени изменились. Раньше химическому анализу придавали гораздо большее значение, чем сейчас. В последнее время же стало понятно, что физические свойства кирпича являются относительно гораздо более важными, и среди них наиболее существенными, вероятно, являются температура размягчения, плотность, стабильность объема и способность выдерживать перепады температуры. Примером того, как это изменение точки зрения повлияло на правила закупок, может служить следующая формула, используемая в правилах закупок нескольких крупных континентальных потребительских кругов.

 

Немецкие требования к качеству шамотных кирпичей, используемых для кладки паровых котлов. (Цепные и угольные топки).

Требуемые характеристики.	1929 Объединение электростанций (Grosskesselverein).	1929 Общество по контролю за энергетикой рурских шахт в Эссене.	1929 Калийная промышленность (Винтерсхалл).
Огнестойкость.	Качество I S.K. 34 ,, II ,, 32 ,, III ,, 29	Никаких предписаний.	По группам продаж A0—A3 соответствует S.K. 35—33.
Химический состав.	Общее количество примесей (флюс), за исключением оксида титана, менее 5 %.	Оксид железа не более 2 % Известь не более 0,35 % Магнезия менее 0,35 % Титанооксид 3 % Щелочи менее 1,5 %.	Содержание глины по группам. Оксид железа менее 3 %. Общее содержание примесей, за исключением оксида титана, менее 5 %.
Пористость.	Впитывающая способность менее 15 % от сухого веса.	Никаких предписаний.	Объемный процент: для стандартных кирпичей менее 28 %, для формованных кирпичей менее 32 %.
Стабильность объема при рабочей температуре.	Кирпичи должны быть обожжены до полного сохранения объема при рабочей температуре. Допустимое отклонение после 4-часового нагрева составляет: для класса I при 1400 °C — „ II при 1200 °C — 1 % изменение длины.	То же.	После 2-часового обжига для группы A2—A3 при 1400 °C, для группы A2—A3 при 1200 °C изменение длины менее 1 %.
Способность выдерживать перепады температуры.	Обычные кирпичи, нагретые до 850 °C с одной стороны, должны выдерживать шесть последовательных закалок в проточной холодной воде без растрескивания, разлома или крошения.	То же.	То же.

Ниже представлена краткая сводка основных видов кирпича компании Höganäs.

Качество Höganäs — обычное, менее огнестойкое стандартное качество, S.K. 30 (№ конуса Зегера). Используется для менее нагруженных частей паровых котлов, кухонных печей, кирпичных печей и отопительных печей, дымовых и газовых каналов, верхних частей дымовых труб, купольных печей, известковых печей и решеточных печей и т. д. Хотя этот сорт является недорогим, всегда следует сначала проверить, соответствует ли он указанным требованиям.

Качество Bjuf F является высокоогнестойким стандартным качеством S.K. 33—34. Оно используется для более нагруженных частей паровых котлов, кухонных плит и генераторов, нижних частей доменных печей и купольных печей, печей для плавки соды, а также различных рекуператоров и регенераторов.

Качество *Stabbarp* близко к качеству Bjuf F, но его объем более стабилен. Оно используется для тех же целей, что и качество Bjuf F.

Качество Arcus — это специальное качество, предназначенное для сводов паровых котлов. Оно особенно хорошо подходит для паровых котлов, которые из-за прерывистой эксплуатации подвержены сильным перепадам температуры.

Качество Krona представляет собой наиболее огнеупорный вид шамотного кирпича. Его S.K. составляет 34, объемная стабильность превосходная, а способность выдерживать как температурные колебания, так и воздействие шлака, хорошая. Используется, в частности, в паровых котлах, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.

Silika. Температура размягчения высокая, но кирпич сильно расширяется под воздействием тепла и плохо переносит перепады температуры. Silika хорошо переносит воздействие кислотных, но плохо — щелочных видов шлака. Silika используется в печах с постоянным нагревом, а его специальные области применения — это печи Мартена и электростальные печи, газовые печи, стекловаренные печи, коксовые печи и печи для плавки меди.

Sicto (карбидный кирпич). Этот вид кирпича, в частности, нашел применение в качестве облицовки топочной камеры паровых котлов, отапливаемых углем. Кирпич отличается высокой огнестойкостью и тем, что угольная зола, как правило, не прилипает к нему.

Sictex (кремнекарбид-силикат). Этот кирпич успешно используется там, где температура размягчения шамотного кирпича недостаточна, а силикат из-за колебаний температуры не подходит, например, в паровых котлах и печах. Sictex — это силикатный материал, который благодаря добавке кремнекарбида стал относительно устойчивым к температурным колебаниям.

Alumex (алюмосиликат). Специальный кирпич с высоким содержанием электрически плавленной глины, обладающий очень высокой огнестойкостью и способностью выдерживать температурные колебания. Кирпич хорошо выдерживает воздействие щелочного и известкового шлака. В настоящее время его использование в зоне горения цементных печей и в наиболее нагруженных местах содовых плавильных печей проходит испытания, и полученные до сих пор результаты показывают, что этот материал очень хорошо подходит для указанных целей.

 

Несколько примеров кладки из практики.

1) Топки паровых котлов.

В топках паровых котлов кирпичи в тех местах, где пламя непосредственно соприкасается с кладкой, подвергаются воздействию высоких температур. Кроме того, воздействие золы и шлака происходит частично в зоне решетки, где зола постоянно соприкасается с кирпичами, а частично в других частях кладки топки, куда частицы шлака и золы попадают с тягой. На кирпичи также влияют перепады температуры при нагревании и охлаждении топки.

Паровой котел подвергается различным нагрузкам. Некоторые части топки, особенно расположенные ближе к решетке, особенно подвержены воздействию золы. В этих местах используются материалы Sicto и Sictex, поскольку они хорошо выдерживают такие воздействия.

Топка и частично также стены камина находятся в прямом контакте с горячим пламенем и, следовательно, подвержены воздействию высокой температуры и шлака. Воздействие шлака обусловлено попаданием частиц золы, увлеченных пламенем, в поры кирпича. Частицы плавятся и впитываются в кирпич, снижая его огнестойкость.

Зажигательная камера также подвержена наибольшим колебаниям температуры. Часто бывает, что котел необходимо быстро охладить, при этом тепло уходит через дымоход, а холодный воздух, поступающий в топку, в первую очередь попадает в зажигательную камеру. Поэтому к кирпичам, используемым для кладки камеры, предъявляются довольно высокие требования. Подходящими марками являются Krona и Arcus. В особых случаях может также подойти марка Sictex.

Для других частей камеры сгорания топки обычно используются марки *Stabbarp* или Bjuf F. При высоких температурах и больших нагрузках используется марка Krona, а при особо сильных перепадах температур — марка Arcus.

Остальные части топки подвергаются меньшим нагрузкам. Для первого витка используется качество Bjuf F, для остальных — качество Höganäs.

На рисунке 15 показан угольный котел Bobcock-Wilcox площадью 500 м² с рабочим давлением 24 кг/см², используемый на одной из электростанций. Котел используется периодически во время пиковых нагрузок и включается и выключается один раз в день. Нагрузка достигает 45 кг на м² поверхности топки, а иногда и больше, а тепловыделение превышает 600.000 ккал на м³ топки. С точки зрения кладки, условия эксплуатации являются сложными. На основании четырехлетних испытаний можно считать, что следующий метод кладки подходит для данного случая.

Своды и стены: качество Arcus, которое подходит для данного объекта с учетом постоянных колебаний температуры.

Поверхность решетки: качество Sicto, вместо которого, однако, можно с успехом использовать значительно более дешевое качество Sictex.

Своды люков: качество Sictex. Для обеспечения прочности боковых стенок очень важно, чтобы своды люков были изготовлены из прочного материала. Sictex, по-видимому, отвечает самым высоким требованиям в этом отношении.

Для других частей камеры сгорания и первичного тягового механизма используется качество Bjuf F, для более удаленных частей — качество Höganäs и красный кирпич.

Точка пода — это так называемый «нос камеры сгорания», то есть самая внутренняя часть камеры сгорания. Камера подвергается воздействию высокой температуры, летучих частиц шлака, уносимых пламенем, а также сильных перепадов температуры.

На следующих фотографиях показана такая камера сгорания после различного времени эксплуатации. В котельных условиях эксплуатации условия весьма разнообразны, а нагрузки на кладку очень разные. На прочность кирпича влияет множество различных факторов. Однако, изучив достаточное количество случаев, можно прийти к выводу, что для каждого случая использования можно предложить наиболее подходящий материал.

 

2) Содовый завод.

Как известно каждому производителю сульфатной целлюлозы, расходы на обслуживание содовых печей довольно высоки. Поэтому, возможно, стоит пояснить, какое представление о футеровке этих печей имеет компания Höganäs.

Цель содовых печей — извлечение дорогостоящих солей из отходов сульфатной целлюлозы. Система включает в себя, среди прочего, вращающуюся печь и плавильную печь. Содовая жидкость поступает в виде густой жидкости во вращающуюся печь, где она испаряется до твердого состояния. Твердая сода поступает в плавильную печь, где она очищается от примесей. Эти примеси, представляющие собой древесные вещества и смолу, одновременно служат топливом. Воздух для горения поступает через охлаждаемую водой трубу в саму плавильную печь, где происходит сгорание. Горячие дымовые газы проходят через вращающуюся печь, испаряя воду из щелочи. Очищенная щелочная плавка затем сливается через отверстие в дне печи и используется в виде раствора в воде для повторного сульфатного варения.

Температура содовых печей не особенно высока, поэтому с точки зрения только огнестойкости качество Höganäs вполне подходит. Однако наибольшую нагрузку создают очень сильные воздействия шлака. Они наиболее сильны в нижней части печи, где облицовка находится в прямом контакте с расплавленной содой, но и другие части печи, некоторые части вращающейся печи, а также дымоход подвергаются воздействию частиц соды, уносимых дымовыми газами. Существует очень мало материалов, которые вообще выдерживают воздействие расплавленной соды. В настоящее время лучшим материалом для облицовки считается мыльный камень, однако его использование ограничено из-за относительно высокой цены. Дно и боковые стенки плавильной печи всегда изготавливаются из мыльного камня, а остальные части плавильной печи и вращающаяся печь, напротив, облицовываются шамотным кирпичом.

В течение последних двух лет компания Höganäs проделала большую работу по решению проблемы содовых печей и провела испытания различных материалов на шведских сульфатных заводах. Теперь компания может поставить на сульфатные целлюлозные заводы кирпич, который гораздо лучше выдерживает воздействие содовой плавки, чем мыльный камень. Это кирпич марки Alumex, содержащий более 70 % глины, расплавленной с помощью электричества. Однако затраты на производство этого кирпича настолько высоки, что вряд ли он сможет в значительных количествах заменить мыльный камень, но для некоторых наиболее подверженных нагрузкам частей печи кирпич Alumex, несомненно, подходит.

Мыло, которое в настоящее время используется в Финляндии, как известно, имеет довольно неравномерный состав, а его высокое содержание углекислого газа вызывает различные проблемы при использовании. На основании соглашения, заключенного с компанией Suomen Vuolukivi OY, компания Höganäs в прошлом году работала над созданием искусственного камня из финского мыльного камня, превосходящего по своим свойствам природный. Камень уже прошел испытания, и его свойства следующие.

Искусственный камень однородный во всех направлениях, в нем нет пустот и слоистых участков. Камень не имеет потерь при обжиге, он тверже мыльного камня и поэтому лучше противостоит коррозионному воздействию расплава и газов. Он также более плотный и лучше противостоит щелочам, чем натуральный камень.

Искусственный камень дороже натурального, поскольку его производство довольно сложное. С другой стороны, это компенсируется его значительно более высоким качеством. Для подтверждения этого факта уже начаты практические испытания.

На рисунке 21 показан подходящий способ кладки содовой печи.

Способ кладки, конечно, может несколько варьироваться в зависимости от конструкции печи и способа ее использования.

Дно печи, боковые стенки и дно топочной камеры: мыльный камень или искусственный камень.

Свод: качество Arcus, поскольку перепады температуры сильные.

Выходной канал: *Stabbarp*, за исключением собственно порога пламени, на который сильно влияют содовые частицы, сопровождающие пламя. Поскольку порог пламени состоит из относительно небольшого количества кирпичей, для него подходит специальный сорт Alumex.

Вращающаяся печь: *Stabbarp*. Нижняя часть, возможно, из мыльного камня или искусственного камня.

Выпускное отверстие для соды и желоб, ведущий к миксеру, лучше всего изготовить из Alumex.

Для внешних частей используется Höganäs, красный кирпич и бетон.

 

3) Мартеновская печь.

Далее мы рассмотрим нагрузки, которым подвергается кирпич в Мартеновской печи. Как уже упоминалось ранее, температуры в Мартеновской печи являются самыми высокими из всех, которые обычно встречаются в промышленных печах. Из-за высоких температур в кладке печей Мартена приходится использовать силикатные кирпичи. Кладка подвергается частично механическим нагрузкам, частично воздействию шлака и плавления. Температурные колебания, напротив, происходят довольно редко.

Влияние расплавленного железа и шлака наиболее ощутимо в самой топке печи. Расплавляемым материалом является чугун и металлолом. На дне печи скапливается расплавленное железо, поверхность которого постепенно покрывается более легким слоем шлака. Этот слой шлака состоит из различных примесей, содержавшихся в железе, обожженного железа и, в некоторой степени, расплавленного кирпичного материала со дна и стенок печи. Под воздействием реакций, происходящих в расплавленном металле, он находится в постоянном движении. Поэтому железо и шлак механически изнашивают кладку, а шлак также химически воздействует на футеровку. Когда железо расплавится и будет должным образом обработано, его спускают по желобу из печи, а печь ремонтируют до следующей плавки. Части печи, в которых находится расплавленное железо, покрываются огнеупорной массой, состав которой зависит от качества шлака в данной печи. Состав массы выбирается таким образом, чтобы шлак как можно меньше влиял на нее химически.

Помимо самой печи для обжига, другие части печи также подвергаются воздействию шлака. Пламя уносит частицы шлака, которые прилипают к сводам, каналам и регенераторам, и сила их воздействия зависит от температуры в соответствующей части печи.

Щелочная печь Мартена отличается от кислотной только тем, что для кладки и внутренней отделки обжиговой части используются щелочные материалы вместо кислых.

 

4) Стальной литейный ковш.

При производстве стали расплавленный металл из печи спускается в литейный ковш, который транспортируется над формами, в которые заливается сталь. Спуск осуществляется через одно или два отверстия в дне емкости. Отверстия можно закрывать и открывать с помощью заглушек, которые управляются рычагами с боков литейного ковша.

Футеровка литейной формы подвергается механическому воздействию железа и шлака, а также в некоторой степени химическому воздействию шлака. Кроме того, кирпич, используемый для внутренней отделки, сильно и быстро нагревается при опускании стали в литейную форму. Для облицовки используется очень огнеупорный шамотный кирпич, который обычно ремонтируется после каждого литья с помощью огнеупорного раствора. Перед вводом в эксплуатацию из емкости тщательно удаляется вся влага путем нагрева, чтобы кладка лучше выдерживала нагрузки. Заглушка покрывается цилиндрическими кирпичами или массой. Особо уязвимыми местами являются нижняя часть заглушки и отверстие для слива. В этих местах в качестве пробки и заглушки используются специальные кирпичи (швед. stoppare и tärning). Эти кирпичи должны отвечать довольно высоким требованиям, так как плохой кирпич может причинить серьезный ущерб при отливке.

Компания Höganäs производит пробки и седла из особо прочного специального шамотного сплава, который отличается высокой износостойкостью и устойчивостью к перепадам температур. Этот специальный продукт компании Höganäs широко используется в шведской сталелитейной промышленности.

 

5) Печь для нагрева.

Печи для нагрева, как известно, используются для нагрева стальных заготовок и т. п. до температуры прокатки. Это длинные печи, на одном конце которых находится генератор. Из генератора газ поступает в основную камеру печи, где он сгорает, смешиваясь с воздухом, подаваемым в печь вентилятором. Нагреваемые детали механически подаются в печь с другого конца и постепенно поступают в основную камеру печи, где они достигают полной температуры прокатки. Дымовые газы удаляются через удлиненную часть печи и постепенно нагревают поступающие в печь отливки, чтобы они не нагревались слишком быстро, что могло бы повредить их.

В печи для приготовления пищи на самом деле только топка подвергается более сильной нагрузке. Температура довольно высокая, и шлак, образовавшийся из сгоревшего железа, также оказывает свое влияние. Обычно для кладки таких печей достаточно очень огнеупорного шамотного кирпича, но в некоторых случаях приходится использовать и специальный кирпич.

На рисунке 24 показана внутренняя часть нагревательной печи, которая, вероятно, подходит для большинства случаев.