Новые теплоизоляционные смеси

Аннотация

Проведен анализ основных физико-химических свойств зол-уносов различных теплоэлек­тростанций на предмет соответствия комплексу требований, предъявляемых к наполнителям теплоизоляционных смесей для утепления прибылей стальных отливок и слитков.

Введение

Изыскание пригодных для металлургического производ­ства недефицитных, не требу­ющих специальной подготов­ки, теплоизоляционных материалов (ТИМ) и соз­дание на их основе формуемых малокомпозитных, дешевых, но эффективно действующих те­плоизоляционных сме­сей (ТИС) высокой огнеупор­ности для утепления прибылей стальных отливок и слитков с целью уменьшения их раз­меров (массы) и увеличения коэффициента использова­ния жидкого металла - весь­ма актуальная задача. В этом плане значительный интерес представляют топливные золы теплоэлектростанций (ТЭС) (в первую очередь, золы-уносы) - продукт высокотем­пературного обжига минераль­ной части топлива в процессе сжигания углей и сланцев, 90 млн т которого ежегодно вы­брасывают в отвалы.

Золошлаковые отходы не­которых месторождений углей имеют высокую температуру плавления (1400...1500°С), низкую объемную массу (600...700 кг/м³) и хорошие тепло­изоляционные свойства. Однако единый нормативный документ на них еще не разработан.

В этой работе поставлена задача изучить:

Анализ основных свойств золошлаковых отходов ТЭС

Для анализа основных свойств золошлаковых отходов ТЭС было выбрано восемь (из 40) крупнейших месторождений твердых топлив: 1 - До­нецкое АШ, 2 - Донецкое ГД, 3 - Подмосковное, 4 - Львовско-Волынское, 5 - Кузнецкое, б - Экибастузское, 7 - Канско-Ачинское, 8 - Прибалтийские сланцы (далее на рисунках и в таблицах названия месторожде­ний и получаемых из их углей зол-уносов заменены соответ­ствующими номерами). На долю этих месторождений приходится ~ 80 % твердых топлив, при сжигании которых в год образуется ~ 60 млн т зол-уносов в виде вы­сокодисперсного порошка.

Рис. 1. Фрагмент тройной диаграммы составов зол-уносов твердых топлив месторождений 1...8 и торфяного: 1 - экибастузский уголь; 2 - донецкий АШ; 3 - львовско-волынский уголь; 4 - кузнецкий уголь; 5 - донецкий ГСШ; 6 - подмосковный уголь; 7 - канско-ачинские угли; 8 - эстонские сланцы; Т - торф

Пригодность золы-уноса углей различных месторожде­ний в качестве ТИМ для производства стальных отливок и слитков в основном зависит от химсостава сжигаемого топли­ва, определяющего его физико-химические свойства (в первую очередь, огнеупорность), содер­жания в нем горючих, свободного оксида Са, удельной поверхно­сти, а также ряда других па­раметров. Немаловажную роль при этом играет стабильность показателей свойств зол иссле­дуемых месторождений.

На основании статистиче­ского материала, накопленно­го при отборе проб зол с раз­личных ТЭС, начиная с 1970 г., Уральским ВТИ и ВТИ им. Дзер­жинского проведена система­тизация химсостава и физико-химических свойств зол-уносов основных месторождений твер­дого топлива, позволяющая вы­бирать золы с требуемыми для целей тепловой изоляции при­былей свойствами.

Рис. 2. Зависимость разброса показателей зол-уносов от зольности А топлива месторождений 1...8:
а - по SiO₂ + Аl₂O₃, б - по СаО + MgO

Рис. 3. Зависимость содержания свободной окиси кальция (СаО) (а) и SO₃ (б) от общего содержания окиси кальция в золе-уносе

Из диаграммы следует, что Экибастузские угли (кривая 6) имеют минимальный разброс, и поле их составов вплотную прилегает к вершине трехкомпонентного треугольника. Затем следуют золы Подмосковных и Кузнецких углей. Установлено, что существует определенная тенденция к уменьшению раз­броса показателей по мере по­вышения зольности А топлива, представленная на рис. 2. Так, например, золы углей Канско-Ачинского месторождения 7, с низкой зольностью, имеют и наи­больший разброс показателей. И наоборот, золы-уносы Экибастузских б и Подмосковных 3 углей при высокой зольности имеют минимальный разброс.

Такая закономерность объ­ясняется строением минераль­ной части топлива, которую разделяют на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя часть представляет собой различные минералы и металлоорганические соединения, включенные в толщу угля, внешние - поро­ды, захватываемые при выра­ботке угля. Зольность топлива повышается за счет увеличения внешней составляющей золы, то есть породы. При большой золь­ности топлива состав остается сравнительно постоянным.

Наблюдается известная за­висимость между общим увели­чением общего содержания оксида каль­ция в золе-уносе и увеличением содержания в ней свободного оксида кальция (СаО)_св. То же самое относится к зависимости между содержанием в золе оксида кальция и SO₃ (рис. 3).

Рис. 4. Диаграмма распределения tнж шлаков кислого состава (1...6 - золы углей соответствующих месторождений)

Наиболее объективный критерий расплав­ления золы, определяемый ее химсоставом и не зависящий от фазового состава, - температура максимального расплавления и вытекания золы tнж. Для выявления наиболее тугоплавких зол на диаграммы распределения tнж, были нанесены точки, отвечающие средним составам зол кислого (рис. 4) и основного (рис. 5) типов. Из этих диа­грамм видно, что к наиболее тугоплавким золам кислого состава можно отнести Экибастузские, Подмосковные и Кузнецкие, а к золам основного состава - сланцевые и золу Березовского угля.

Огнеупорность зол также определяли по ГОСТ 2057-82 прямым визуальным методом: нагревани­ем в полувосстановительной среде образцов золы в форме пирамид. При этом определяли темпе­ратуры, соответствующие характерным измене­нием формы образца: tA - начала деформации, при которой наблюдается первый признак раз­мягчения образца; tB - полусферы, при которой образец принимает форму полусферы; tC - жидкоплавкого состояния, при которой образец рас­текается.

Результаты определения плавкости и других физико-химических свойств зол-уносов основных месторождений твердых топлив представлены в таблице.

Критерии оценки качесвта зол-уносов

При оценке пригодности зол-уносов углей раз­личных месторождений в качестве огнеупорного теплоизоляционного наполнителя формовочных смесей, предназначенных для обогрева прибылей стальных литых заготовок, руководствовались следующими известными в практике литейного производства показателями: плавкостью tB, объ­емной массой, содержанием горючих, содержани­ем свободной окиси Са, суммарным содержанием Na₂O, К₂О и СаО.

Показатель плавкости золы предопределяет огнеупорность ТИС, ее способность сохранять ме­ханическую прочность в период контакта с жид­кой сталью до момента образования поверхност­ной корки металла прибыли. Выбрано tB > 1300 °С, как близкое к реальной температуре прогрева поверхностных слоев литейной формы в период затвердевания стальной отливки.

Объемная масса золы как наполнителя определяет теплопро­водность ТИС, которая, в свою очередь, характеризует ее изолирующую способ­ность. Для обеспечения надлежащей степени теплоизоляции объемная масса золы не должна превышать 1800 кг/м³.

Увеличение содержания горючих >5 % повы­шает газотворность смеси и ухудшает ее техно­логические и физико-механические характери­стики, поэтому ограничили этот показатель на уровне 5%.

При использовании традиционных связую­щих типа ЖС увеличение содержания оксидов Са, Na, К выше 59 % а (СаО) > 1 % нежелатель­но, поскольку они отрицательно влияют на соблюдение стабильности параметров техпроцесса приготовления смесей и ухудшают их физико-механические свойства.

Рис. 5. Диаграмма распределения tнж шлаков основного состава 9 и 10 - золы углей Назаровского, Ирши-Бородинского месторождений

Таблица 1. Состав и плавкость различных зол-уносов.

Результаты оценки качества зол-уносов

На основании проведенного анализа физико-химических свойств зол-уносов ТЭС установле­но, что комплексу вышеуказанных требований наиболее полно отвечают золы Экибастузского и Подмосковного месторождений углей, имеющие стабильные (в пределах допустимых отклоне­ний) параметры свойств (см. таблицу). Это по­зволяет производить отбор зол с электростанций без проведения дополнительных операций по их отбраковке. Могут быть также использованы золы Кузнецкого и Донецкого месторождений. Однако нестабильность и разброс их физико-химических показателей требуют обязательного определения свойств зол каждой партии углей с целью выявления их соответствия вышеуказан­ным требованиям.

Угли Экибастузского бассейна относят к мно­гозольным каменным углям. Минеральная часть этих углей почти целиком состоит из глинисто-песчаных пород, в которых распределено не­большое количество железистых соединений. Зола на > 90 % состоит из SiO₂ + Аl₂O₃, основная часть - кремнезем. Большое содержание кислых окислов предопределяет их высокую тугоплавкость. Топли­во имеет высокую реакционную способность, что предопределяет сравнительно низкое содержание горючих в золе-уносе.

Минеральная часть углей Подмосковного бас­сейна, в основном, представляет собой глини­стые породы с крупными включениями пирита. В отличие от остальных бурых углей, подмосков­ные - высокозольные с высоким содержани­ем в золе кислых окислов SiO₂ + Аl₂О₃ (> 80 %). Зола этих углей отличается низким содержанием оксидов Са, Mg и щелочных металлов. Зола со­держит мало горючих, имеет высокие показатели плавкости.

Кузнецкие угли по составам близки к Под­московным, имеют высокое содержание SiO₂ + Al₂О₃. Минеральная часть этих углей, в основном, представляет обогащенные песком глинистые по­роды, что объясняет высокое содержание SiO₂ в золе. Зола характеризуется сравнительно низки­ми показателями плавкости из-за наличия боль­шого количества стекловидной фазы в уносах. В золе этих углей встречаются сферолиты - по­лые микросферы. Отрицательное качество этих зол - высокое содержание горючих, иногда до­стигающее 25 %.

На углях Экибастузского месторождения ра­ботают электростанции: Рефтинская ГРЭС, Тро­ицкая ГРЭС, Ермаковская ГРЭС, Красногорская ТЭЦ, Омская ТЭЦ-4. Верхнетагильская ТЭЦ, Средне-Уральская ГРЭС 7 и др. На углях Подмосковского месторождения - Ступинская ТЭЦ-17, Щекинская ГРЭС, Новомосковская ГРЭС, Алексинская ТЭЦ. Дорогобужская ГРЭС. Рязанская ГРЭС и др. На углях Кузнецкого месторожде­ния - Барабинская ГРЭС, Санкт-Петербургские ТЭЦ-14, ТЭЦ-17; Новосибирские ТЭЦ-2, ТЭЦ-3; Московская ТЭЦ-22

Заключение

Впервые проведен и представлен в система­тизированном виде анализ основных физико-химических свойств зол-уносов ТЭС, позволивший выявить из большого разнообразия твердых топлив многочисленных месторождений наиболее тугоплавкие, отвечающие комплексу требова­ний, предъявляемых к теплоизоляционным лег­ковесным наполнителям формовочных смесей для утепления прибылей стальных отливок и слитков.

Установлено, что из всего многообразия зол ТЭС комплексу этих требований полностью отвечают только золы углей Экибастузского и Подмосковного месторождений, имеющие ста­бильные, с минимальным разбросом, свойства.