Введение

Легкий кремнеземистый кирпич — это теплоизоляционный огнеупорный кирпич с содержанием SiO₂ более 91% и объемной плотностью менее 1,2 г/см³, также известный как кремнеземистый теплоизоляционный кирпич. Как кислотоупорный огнеупорный материал, он обладает высокой огнеупорностью (около 1690–1730 °C) и температурой размягчения под нагрузкой (до 1640–1670 °C), а также превосходной объемной стабильностью при длительной эксплуатации в высокотемпературных условиях. По сравнению с обычным плотным кремнеземистым кирпичом, легкий кремнеземистый кирпич содержит большое количество мелких пор, эта уникальная структура обеспечивает ему превосходные теплоизоляционные свойства и низкий коэффициент теплопроводности, но, соответственно, снижает прочность на сжатие и устойчивость к шлаковой коррозии.

В высокотемпературной промышленности эффективная теплоизоляция имеет решающее значение для снижения энергопотребления. Для снижения затрат на энергопотребление в процессе обжига операторы печей способствуют постоянному развитию теплоизоляционных огнеупорных материалов, повышая спрос на высокоэффективные теплоизоляционные изделия с низкой плотностью. Легкий кремнеземистый кирпич получил широкое распространение именно в этом контексте: он сочетает в себе высокие огнеупорные свойства и легкость, что делает его незаменимым в сталелитейной, стекольной и керамической промышленности, где он используется в качестве теплоизоляционного слоя футеровки печей для уменьшения тепловых потерь, повышения энергоэффективности и снижения нагрузки на конструкцию печи, что имеет важное практическое и стратегическое значение.

Область применения

Сталелитейная промышленность

В сталелитейной промышленности легкий кремнеземистый кирпич в основном используется в качестве теплоизоляционного слоя в теплотехническом оборудовании, таком как воздухонагреватели доменных печей. Воздухонагреватели доменных печей используются для подачи предварительно нагретого воздуха в доменную печь, их рабочая температура составляет около 1000–1300 °C, внутренняя огнеупорная футеровка обычно имеет многослойную структуру: рабочий слой выполнен из плотного огнеупорного кирпича (например, кремнеземистого или высокоглиноземистого кирпича), а за ним укладывается легкий огнеупорный кирпич в качестве теплоизоляционного слоя. Поскольку легкий кремнеземистый кирпич имеет схожие с плотным кремнеземистым кирпичом характеристики теплового расширения, он часто используется в качестве теплоизоляционного слоя за рабочим слоем из кремнеземистого кирпича, чтобы обеспечить согласованное расширение всей футеровки при изменении температуры и предотвратить возникновение чрезмерных напряжений.

В сводах и стенках воздухонагревателей в типовых конструкциях используется легкий кремнеземистый кирпич с объемной плотностью около 1,25 или 1,05 г/см³ для создания теплоизоляционного слоя, поскольку эти участки имеют более высокую температуру и подвергаются определенной нагрузке, поэтому необходим теплоизоляционный кирпич с высокой прочностью. Использование легкого кремнеземистого кирпича для теплоизоляции приводит к значительному снижению температуры наружной поверхности кожуха воздухонагревателя, значительно уменьшая тепловые потери и способствуя повышению температуры дутья и общего КПД.

Еще одно типичное применение в сталелитейной промышленности — коксовые печи. В больших коксовых печах традиционно используются кремнеземистые кирпичи для кладки перегородок между камерами коксования и камерами сгорания в качестве основного конструкционного огнеупорного слоя, при этом рабочая температура высока, а среда представляет собой кислую атмосферу, богатую кремнеземом. В таких конструкциях можно добавить легкий кремнеземистый кирпич или кремнеземистые теплоизоляционные плиты снаружи кремнеземистой кладки в качестве теплоизоляционного подложки для уменьшения тепловых потерь. Поскольку легкий кремнеземистый кирпич не контактирует непосредственно с раскаленным коксовым газом внутри камеры коксования, он может длительно выдерживать высокие температуры коксовой печи и, используя свои теплоизоляционные свойства, снижать температуру наружной поверхности печи, защищая конструкцию печи. Кроме того, в прошлом легкий кремнеземистый кирпич широко использовался в куполах регенеративных камер мартеновских печей и кислотных мартеновских печах; в таких высокотемпературных печах в теплоизоляционных участках, не подвергающихся прямому воздействию шлака, легкий кремнеземистый кирпич также может использоваться для уменьшения веса кладки и повышения теплоизоляционных свойств.

Стекольная промышленность

В стекольной промышленности кремнеземистый кирпич является одним из наиболее распространенных огнеупорных материалов в стекловаренных печах, особенно в регенеративных камерах и сводах (crown) стекловаренных печей. Свод стекловаренной печи обычно выполняется из плотного кремнеземистого кирпича для выдерживания высокотемпературного излучения (около 1550–1600 °C). Сверху на него укладывается легкий кремнеземистый кирпич в качестве теплоизоляционного слоя для уменьшения тепловых потерь через свод.

Такой комбинированный кремнеземистый свод обычно проектируется из двух или более слоев теплоизоляционного кирпича: слой, прилегающий к плотному рабочему слою, выполнен из легкого кремнеземистого кирпича средней плотности (около 1,25 или 1,0 г/см³), чтобы обеспечить ему коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения плотного кремнеземистого кирпича, и достаточную механическую прочность. Сверху укладывается кремнеземистый теплоизоляционный кирпич еще более низкой плотности (например, 0,8 или 0,6 г/см³), что максимально способствует теплоизоляции и снижению энергопотребления. Такая многослойная конструкция обеспечивает синхронное расширение и сжатие слоев свода при высоких температурах, предотвращая возникновение межслойных напряжений из-за несоответствия теплового расширения.

Теплоизоляционный слой из легкого кремнеземистого кирпича может укладываться непосредственно на плотный свод (сухая кладка) с использованием собственного веса кирпичей для фиксации; также можно использовать кремнеземистый огнеупорный раствор для кладки. Сухая кладка позволяет кирпичам свободно расширяться, что ускоряет процесс строительства, но несколько снижает стабильность, в то время как кладка на растворе повышает общую прочность. Поскольку химический состав и минеральный состав легкого слоя и нижележащего рабочего слоя близки, при длительной эксплуатации печи легкий кремнеземистый кирпич не вступает во вредные реакции с плотным кремнеземистым кирпичом и не возникает проблем с несоответствием расширения. Кроме того, внутри стекловаренной печи находится кислая расплавленная среда, легкий кремнеземистый кирпич не контактирует непосредственно со стеклянной массой, поэтому химическая коррозия незначительна. Практика показывает, что использование многослойной кладки из кремнеземистого теплоизоляционного кирпича в своде стекловаренной печи приводит к значительному снижению тепловых потерь через свод, значительному повышению однородности температуры, а также повышению эффективности плавления и срока службы стекловаренной печи.

Керамическая промышленность

При производстве керамики различные обжиговые печи (например, туннельные печи, роликовые печи, вагонетные печи) также нуждаются в эффективной теплоизоляции стенок печи для поддержания температуры и экономии энергии. В керамической промышленности используются различные теплоизоляционные огнеупорные материалы, такие как глинистые, высокоглиноземистые и кремнеземистые, при этом легкий кремнеземистый кирпич может использоваться в качестве теплоизоляционного слоя в печах, рабочая температура которых не превышает его предел прочности (около 1550 °C) и атмосфера которых является кислотной. Типичное применение — укладка легкого теплоизоляционного кирпича внутри стенок и сводов туннельных печей для обжига керамических изделий в качестве внутренней или задней теплоизоляционной подкладки для уменьшения теплопередачи через стенки печи.

Исследования и практика показали, что использование легкого пористого кремнеземистого теплоизоляционного кирпича во внутренней футеровке керамических печей позволяет уменьшить вес печи примерно на 25%, а также значительно улучшить теплоизоляционные свойства и снизить энергопотребление. Это особенно выгодно для производства керамических изделий, требующих длительного поддержания постоянной температуры обжига (например, керамической плитки, сантехники), теплоизоляционный слой уменьшает тепловые потери, что облегчает поддержание равномерной температуры в печи и снижает расход топлива, что способствует энергосбережению и защите окружающей среды.

Следует отметить, что использование легковесных кремнеземистых кирпичей в керамических печах следует избегать в местах прямого контакта с пламенем и шихтой. С одной стороны, температура обжига керамики в печах обычно составляет 1200–1400 °C, и кремнеземистые кирпичи выдерживают этот температурный диапазон; но, с другой стороны, некоторые летучие щелочные оксиды керамических глазурей могут оказывать коррозионное воздействие на кремнеземные материалы. Поэтому легковесные кремнеземистые кирпичи чаще всего используются в средней и внешней частях стен печи, где они не подвергаются прямому воздействию высокотемпературных расплавов. В этих зонах легковесные кремнеземистые кирпичи обеспечивают лучшие показатели высокотемпературной прочности и теплоизоляции по сравнению с традиционными глиняными теплоизоляционными кирпичами. В зонах прямого воздействия пламени или скопления щелочных остатков обычно используются другие огнеупорные материалы (например, муллитовые кирпичи, волокнистые модули и т. д.) для футеровки, чтобы обеспечить коррозионную стойкость и термостойкость рабочего слоя печи.

Анализ преимуществ и недостатков

Преимущества

Легковесные кремнеземистые кирпичи сохраняют хорошую размерную стабильность и огнеупорность при высоких температурах, их температура размягчения под нагрузкой близка к обычным кремнеземистым кирпичам (около 1640 °C и выше), что удовлетворяет требованиям к использованию в промышленных печах черной и стекольной металлургии. Благодаря большому количеству мелких пор, они обладают низким коэффициентом теплопроводности, хорошей теплоизоляцией и могут значительно снизить потери тепла через стены и свод печи, повышая тепловой КПД. Кроме того, легковесность снижает собственный вес кирпича, что способствует уменьшению нагрузки на конструкции высокотемпературного оборудования (например, свода стекловаренной печи) и снижению напряжений в стальном каркасе печи.

В химическом отношении высокое содержание кремнезема обеспечивает им отличную стойкость к кислотным шлакам и коррозии в кислой атмосфере, что обеспечивает длительный срок службы в кислотных печах с кремнеземистой футеровкой. Кроме того, пористая структура в некоторой степени компенсирует тепловые напряжения, что улучшает термостойкость легковесных кремнеземистых кирпичей по сравнению с плотным кремнеземистым кирпичом, предотвращая образование трещин из-за температурного градиента.

Ограничения

Из-за высокой пористости легковесные кремнеземистые кирпичи имеют рыхлую структуру, их прочность на сжатие при нормальной температуре, а также износостойкость и стойкость к шлаковой коррозии значительно ниже, чем у плотных огнеупорных кирпичей. Они не могут контактировать непосредственно с расплавленными металлами, стеклянной жидкостью или высокотемпературными шлаками, иначе они быстро разрушатся или износятся. Особенно в щелочной среде (например, при контакте с CaO, Na₂O, K₂O и другими щелочными компонентами) кремнеземистые кирпичи вступают в бурную химическую реакцию и разрушаются, их стойкость к щелочной коррозии очень низка. Поэтому легковесные кремнеземистые кирпичи не подходят для использования в щелочных шлаках или в атмосфере щелочных газов.

Термостойкость легковесных кремнеземистых кирпичей несколько лучше, чем у обычных кремнеземистых кирпичей, но абсолютное значение все еще ограничено. В теплотехническом оборудовании с частыми колебаниями температуры или периодической работой (особенно при многократном прохождении температурного диапазона 500–600 °C) кремнеземистые кирпичи легко растрескиваются и отслаиваются из-за полиморфных превращений, вызывающих изменение объема. Поэтому легковесные кремнеземистые кирпичи лучше подходят для условий непрерывной работы при стабильной высокой температуре.

Следует также отметить, что поскольку легковесные кремнеземистые кирпичи могут использоваться только в качестве теплоизоляционного слоя, при фактической кладке печи их необходимо использовать вместе с тяжелыми огнеупорными кирпичами для тепловоспринимающей поверхности. Это усложняет конструкцию футеровки и увеличивает объем строительных работ, а также означает, что при использовании легковесных кремнеземистых кирпичей необходимо учитывать их совместимость с огнеупорными материалами рабочего слоя, чтобы избежать повреждения футеровки из-за несоответствия расширения.

Меры предосторожности и стратегии продления срока службы

Для того чтобы в полной мере реализовать потенциал легковесных кремнеземистых кирпичей и продлить их срок службы, необходимо принять соответствующие меры на этапах проектирования, строительства и эксплуатации. Следующие стратегии помогут предотвратить преждевременное старение футеровки:

1. Рациональная кладка

Использование правильной схемы кладки и высококачественной огнеупорной глины обеспечивает плотную и ровную кладку кирпича. При строительстве следует предусмотреть в конструкции печи соответствующие зазоры для расширения, чтобы компенсировать объемное расширение кремнеземистых кирпичей при нагреве и предотвратить возникновение структурных напряжений из-за ограниченного теплового расширения. Для теплоизоляционного слоя из легковесных кремнеземистых кирпичей следует использовать совместимую кремнеземную огнеупорную глину для затирки или склеивания, чтобы избежать введения неоднородных примесей. В некоторых случаях легковесные кремнеземистые кирпичи свода стекловаренной печи могут укладываться сухим способом, то есть свободно укладываться на свод без использования глины. Этот метод позволяет кирпичам свободно расширяться, уменьшая напряжения и предотвращая растрескивание.

2. Строгий режим нагрева и охлаждения

Перед вводом в эксплуатацию новая кладка или отремонтированная футеровка должны быть высушены и нагреты в соответствии с нормами. Особенно это касается кремнеземных огнеупорных кирпичей, при первом нагреве необходимо медленно проходить через температурный интервал кварцевого превращения около 573 °C, давая кирпичу достаточно времени для завершения полиморфного превращения и высвобождения расширения, чтобы напряжения постепенно ослабевали. Слишком быстрый нагрев может привести к резкому расширению кремнеземистых кирпичей и образованию трещин или отслаиванию. Аналогично, при остановке и охлаждении следует избегать резкого охлаждения, лучше медленно охлаждать до безопасной температуры, прежде чем открывать дверцу печи или подавать холодный воздух. Каждое предприятие должно разработать кривую нагрева и режим охлаждения, подходящие для его типа печи и технологического процесса, чтобы максимально снизить повреждения от термического удара.

3. Защита от химической коррозии

При проектировании футеровки следует избегать прямого контакта легковесных кремнеземистых кирпичей со щелочными материалами или щелочной атмосферой. В условиях, где могут образовываться летучие щелочные вещества (например, при использовании некоторых видов топлива или сырья, содержащих щелочи), можно рассмотреть возможность нанесения на внутреннюю поверхность рабочего слоя огнеупорного защитного покрытия или создания переходного слоя из щелочестойких материалов для предотвращения воздействия вредных сред на кремнеземные теплоизоляционные кирпичи. Если легковесные кремнеземистые кирпичи должны располагаться рядом с кладкой из щелочестойких огнеупорных материалов (например, высокоглиноземистых или магнезиальных кирпичей), между ними следует уложить нейтральный материал или оставить воздушный зазор, чтобы предотвратить непосредственную реакцию кислотных и щелочных материалов при высокой температуре. Кроме того, при эксплуатации печи следует по возможности контролировать состав дымовых газов, снижая концентрацию серы, щелочей и других примесей, чтобы замедлить химическую деградацию теплоизоляционных кирпичей.

4. Регулярный мониторинг и техническое обслуживание

В процессе эксплуатации футеровки необходимо усилить мониторинг параметров работы печи и температуры стенок печи. Если обнаружено аномальное повышение температуры кожуха печи в какой-либо области, это может означать, что в этом месте теплоизоляционный слой кирпича растрескался, отслоился или рассыпался, и необходимо своевременно провести ремонт и замену. Для печей, работающих в режиме длительной непрерывной работы (например, стекловаренных печей, коксовых печей), необходимо разработать план планово-предупредительного ремонта, включающий проверку и техническое обслуживание теплоизоляционного слоя. В повседневной работе также необходимо соблюдать правила эксплуатации, чтобы предотвратить резкое охлаждение и нагревание огнеупорных кирпичей или местную перегрузку из-за ошибок в эксплуатации. Например, строго контролировать положение и интенсивность распыления угля в сталеплавильных печах, предотвращая прямое воздействие пламени на часть огнеупорной футеровки; или, например, при остановке керамической роликовой печи необходимо медленно охлаждать, чтобы предотвратить растрескивание стен печи от резкого охлаждения.

Благодаря вышеупомянутым профилактическим мерам срок службы огнеупорного кирпича может быть значительно продлен. При неправильном использовании футеровка может быть повреждена в течение нескольких месяцев; при правильном монтаже, режиме нагрева и техническом обслуживании теплоизоляционный слой из легкого силикатного кирпича часто может иметь такой же срок службы, как и основная футеровка, достигая нескольких лет или даже более десяти лет.

Заключение

Легкий силикатного кирпича, как важный огнеупорный теплоизоляционный материал для высокотемпературной промышленности, продемонстрировал свою комплексную ценность и устойчивость в применении в сталелитейной, стекольной и керамической промышленности. С одной стороны, благодаря своим превосходным характеристикам высокотемпературной стабильности и теплоизоляции он обеспечивает надежную теплоизоляционную поддержку для доменных печей, сводов стеклянных печей и керамических печей, что значительно снижает потери тепла и повышает эффективность тепловых процессов. Это не только снижает потребление топлива и выбросы парниковых газов в производственном процессе, способствуя энергосбережению и сокращению выбросов в промышленности, но и продлевает срок службы футеровки, снижая частоту остановок и ремонтов.

С другой стороны, благодаря целенаправленным мерам по монтажу и техническому обслуживанию, ограничения легкого силикатного кирпича (например, низкая стойкость к термическому удару и коррозии) могут быть эффективно контролируемыми, что позволяет ему сохранять стабильные характеристики в процессе эксплуатации. В современной промышленности, стремящейся к экологически чистому и эффективному производству, легкий силикатного кирпича благодаря своим хорошим характеристикам и энергосберегающим эффектам по-прежнему играет незаменимую роль.

В будущем, с развитием новых материалов и технологий (например, новых технологий, таких как сверхмикропористый силикатного кирпича, силикатного кирпича с нулевым расширением), перспективы применения легкого силикатного кирпича в промышленных печах будут еще шире, и он будет продолжать вносить свой вклад в устойчивое развитие высокотемпературной промышленности.