ОГНЕУПОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Современной концепцией развития огнеупорной промышленности являются создание и организация производства огнеупоров нового поколения, обеспечивающих повышение экологической безопасности, ресурсосбережения (энер го, материало и трудовых затрат) и износоустойчивости. В обобщенном виде развитие огнеупоров происходит по кругообороту, включающему четыре основных цикла развития (рисунок). Учитывая каждый цикл в кругообороте развития огнеупоров, можно систематизировать их разработку по предлагаемой методологии и достичь в итоге наибольшего ресурсосбережения. Методология создания огнеупоров нового поколения включает в себя ряд последовательных уровней — принципов их разработок.

Первый уровень. Требования потребителей. Разработка огнеупоров нового поколения начинается с нахождения потребителей и определения их потребностей. Потребитель, оценив ожидаемое сокращение энергетических затрат и повышение износоустойчивости новых видов огнеупоров, будет финансировать как их разработку, так и создание из них новых конструкций теплоизоляционных футеровок. В связи с этим потребитель в условиях открытой рыночной экономики будет использовать только те отечественные огнеупоры, которые обеспечат ему более высокое ресурсосбережение по сравнению с зарубежными огнеупорами.

Второй уровень. Анализ условий службы — основа технологии производства. Определив потребителей, проводят анализ условий с луж бы футеровок тепловых агрегатов и определение физикохимических процессов износа ис пол!*уемых огнеупоров. Выявление параметров службы огнеупоров является основой для разработки огнеупоров нового поколения.

Третий уровень. Учет Периодического закона ДМ Менделеева. В основе любого материаловедения, в том числе и науки об огнеупорах нового поколения, лежит Периодический закон Д.И.Менделеева, позволяющий определить наиболее рациональный химический и фазовый состав огнеупоров.

Бели совместить расположение основных оксидов (элементов) в периодической системе Д.И.Менделеева с оксидами или основными фазами огнеупоров по принципу возрастания их молекулярного веса или энергии Гиббса, то получается много пустых клеток, соответствующих буду1цим огнеупорам.

Стремление заполнить пустые клетки позволило создать огнеупоры нового поколения: периклазоуглеродистые (для печей черной и цветной металлургии), корунд ошпине льные (для сталеразливочных ковшей), периклазо цирконистые (для стекловаренных печей), пе риклазошлинельнофорстеритовые, алитопери клазовые (для вращающихся печей) и др.

В перспективе будет создана "Периодическая система огнеупоров". Зная условия службы и физикохимические процессы износа огнеупоров в футеровках тепловых агрегатов, по периодической системе огнеупоров можно будет определять их рационнальный химический и фазовый состав строго для указанных условий.

Четвертый уровень. Использование закона наибольшей консолидации фаз. Выбор рационального фазового состава для огнеупоров нового поколения основывается на диаграммах состояния [1, 2], которые в данном случае (с позиции консолидации) можно рассматривать как температурную консолидацию фаз, а также на законе наибольшей консолидации фаз. Этот закон гласит, что для повышения износоустойчивости огнеупоров степень консолидации выбранных для них фаз должна быть наибольшей [3]. Необходимо использовать в огнеупорах нового поколения только те фазы, которые взаимно способствуют достижению наибольшего конечного результата — повышения износоустойчивости огнеупоров в службе.

Пятый уровень. Выбор технологических параметров. Определив рациональный химический и фазовый составы огнеупоров для данных конкретных условий службы, переходят к выбору сырьевых материалов и к подготовке исходных компонентов.

Важное значение при подготовке исходных компонентов имеет их легирование углеродом, например, периклазовых, периклазоизвестко вых и известковопериклазовых порошков путем их обжига в восстановительных средах или легирования отходящими дымовыми газами. Так, легирование периклаза углеродом в среде бутанпропана при 800 °С (0,5 ч) позволило повысить в нем содержание углерода до 4 % [4]. Легирование углеродом позволяет существенно повысить гидратоустойчивость и шлакоустойчивость компонентов, а также их термостойкость. Механическая активация огнеупорных цементов путем использования химически однотипных диспергаторов или добавок солей — корродиентов позволяет значительно ускорить их измельчение и повысить термостойкость изделий [5].

Изменяется порядок и продолжительность смешения компонентов для формирования оптимальных коагуляционных структур, удельное давление прессования — не менее 150 Н/мм2, изготовление изделий по технологии "пресс пакет", изготовление бетонных изделий .на экзотермических связках, а обжиговых изделий — на ситалловых связках, переход на выпуск вариатропных теплоупоров и использование других факторов позволяют в конечном счете установить оптимальные технологические параметры производства огнеупоров.

В итоге разрабатывается технологическая инструкция на производство данного вида огнеупора нового поколения для конкретных условий службы.

Шестой уровень. Разработка футеровок нового поколения. После изготовления огнеупоров нового поколения производится проектирование из них футеровок тепловых агрегатов, которые должны иметь минимальную массу и теплопроводность, наиболее высокую износоустойчивость и ремонтопригодность. Затем разрабатывается технологическая инструкция на изготовление футеровок тепловых агрегатов из огнеупоров нового поколения. Промежуточные ремонты футеровок тепловых агрегатов производят их торкретированием или подливом бетонными массами до первоначальных размеров.

В итоге потребителям поставляют огнеупоры нового поколения, проект футеровок нового поколения и технологическую инструкцию на изготовление футеровок, их разогрев и ремонтирование.

Седьмой уровень. Использование компьютеризации и моделирования на всех уровнях создания огнеупоров. Ускорение создания огнеупоров нового поколения и изготовление из них футеровок практически невозможно без компьютеризации и моделирования процессов их формирования на всех указанных уровнях. Для этого разработана единая комплексная модель (ЕКМсистема), включающая принципы, критерии и алгоритм использования физикохимической и технологической информации для решения технологических задач.

Оценку эффективности огнеупоров нового поколения проводят по основн^у обобщенному критерию — коэффициенту оптимальности футе ровок тепловых агрегатов в сочетании с их первичной экологической оценкой и вторичной их технологичности [3].

При этом прогнозирование износоустойчивости огнеупоров возможно путем определения их коэффициента деструктирования, а также корреляции их реологических и термомеханических свойств. Для повышения износоустойчивости огнеупоров необходимо сочетание их минимальной деформации и модуля упругости с наибольшим периодом релаксации. Таким образом, приведенная методология создания огнеупоров нового поколения по последовательным уровням позволяет определить их наиболее рациональный состав для конкретных условий службы.

К огнеупорам нового поколения относятся экологически чистые огнеупоры систем MgO— СаО; MgO—А12Оэ; MgCaOC; Mg0Al203C; MgO—Zr02—С; MgO—Al203—СаО—С; MgO—Zr02—Al203—С и др. [6]. Физикохими ческие процессы их формирования должны быть обусловлены наибольшим изменением энергии Гиббса, а процесса износа — минимальным.

Рассмотрение энергоэнтропийных процессов износоустойчивости огнеупоров позволило наметить основные направления изменения вектора термодинамических параметров процессов повышения их стойкости в службе [7]: повышение энтальпии исходных огнеупоров (А#) и энергии Гиббса (AG) процессов их формирования: (Atf;AG) —^max; для сохранения тепловой энергии необходимо повышение теплоизоляционных свойств огнеупоров путем организации производства теплоупоров и создания новых конструкций теплоизоляционных футеровок тепловых агрегатов, обусловливающих уменьшение их энтропии: AS —**min; в процессе службы энтропия огнеупоров (AS) должна возрастать: |— LS\ —max; повышение негэнтропии огнеупоров должно сопровождаться образованием высокоизносоустойчивого гарнисажа, существенно снижающего износ огнеупоров (AM) в службе: АМ —max; работа огнеупоров (PF), совершаемая при изменении их объема, должна быть минимальной за счет уменьшения внешнего и внутреннего давления (р), а также сохранения постоянства объема (V): W —^min, р —>min, bV = V1 — V2 —^min.

Указанные направления изменения основных термодинамических параметров являются основой энергоэнтропийных процессов технологии

производства и применения огнеупоров нового поколения. Конкретные величины термодинамических чПараметров определяются только условиями службы каждого вида огнеупоров в конкретных участках футеровок различных тепловых агрегатов. Таким образом, производство огнеупоров нового поколения позволит повысить экологическую безопасность, увеличить ресурсосбережение и износоустойчивость огнеупоров в службе.

Для реализации создания огнеупоров нового поколения необходимо изменение ассортимента продукции огнеупорных заводов с усилением специализации — повышения качества огнеупоров с целью снижения удельных приведенных затрат, и с ускорением диверсификации — переориентации на выпуск огнеупоров, необходимых потребителю.

Разработана методология создания огнеупоров нового поколения, включающая в себя ряд последовательных уровней — принципов их разработок: требования потребителей, анализ условий службы — основа технологии, учет Периодического закона Д.И.Менделеева, использование закона наибольшей консолидации фаз, выбор технологических параметров, разработка футеровок нового поколения и использование компьютеризации и моделирования. Приведенная методология позволяет существенно ускорить разработку огнеупоров нового поколения и достичь в итоге наибольшего ресурсосбережения.

Определены основные направления изменения термодинамических параметров энергоэнтропийных процессов износоустойчивости огнеупоров, знание которых необходимо при разработке огнеупоров нового поколения. В исходных огнеупорах энтальпия, энергия Гиббса и негэнтропия должны быть максимальны для формирования в них микропористой, $ысокоиз носоустойчивой структуры. В процессе службы негэнтропия огнеупоров должна также возрастать, а энергия Гиббса, энтропия и работа — быть минимальными.

Целесообразно ускорить перевод огнеупорной промышленности на выпуск огнеупоров нового поколения. Производство огнеупоров нового поколения позволит повысить экологическую безопасность, увеличить ресурсосбережение и износоустойчивость огнеупоров в службе.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994