Теплопроводность. Теплопроводность огнеупоров определяет изменение температуры по толщине футеровки, величину термических напряжений и количество теряемого через футеровку

Теплопроводность огнеупоров определяет изменение температуры по толщине футеровки, величину термических напряжений и количество теряемого через футеровку тепла.

Распределение температуры в огнеупоре определяется коэффициентом температуропроводности , которая играет большую роль при определении скорости прогрева кладки.

где l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К);

с– теплоёмкость, Дж/(кг×К);

r – объёмная плотность, кг/м³.

Теплофизические характеристики l, с, r определяют эффективность работы керамических теплообменников и количеством тепла, аккумулированного кладкой.

Теплопроводность (l, Вт/м×К) зависит от химико-минералогического состава огнеупора и от пористости изделия.

Зависимость теплопроводности огнеупоров от температуры (без учёта пористости) выражается эмпирической формулой.

l_т=l₀(1 ± bT),

где l_т – теплопроводность огнеупора при температуре, Вт/(м×К);

l₀ – теплопроводность при 0 ^оС, Вт/(м×К);

b– эмпирический коэффициент, зависящий от вида огнеупора;

T – температура огнеупора.

Знаки ”+“ ” – “ говорят о том, что в зависимости от химико-минералогического состава огнеупора теплопроводность с повышением температуры увеличивается или уменьшается. Значение теплопроводности изменяется в широких пределах (l₀=0,02¸60 Вт/(м×К)). Определение коэффициента теплопроводности производится по ГОСТ 12170-76. Изделия с низкой теплопроводностью, у которых l₀ < 0,2 Вт/(м×К), могут применяться в качестве тепловой изоляции.

Теплопроводность огнеупорных изделий влияет на способность огнеупоров выдерживать резкие смены температур, на способность их пропускать тепло или, наоборот, иметь теплоизолирующие свойства, на время, необходимое для разогрева печи до рабочей температуры. Таким образом, коэффициент теплопроводности оказывает большое влияние на величину теплового коэффициента полезного действия агрегата.

Теплоёмкость(С, Дж/(кг×К)) огнеупорных изделий зависит от их химического и минералогического состава. Средняя теплоёмкость различных огнеупоров изменяется в пределах 0,84 – 0,96 кДж/(кг×К). С увеличением температуры огнеупора теплоёмкость возрастает, но не значительно.

Удельная теплоёмкость влияет на скорость нагрева и охлаждения футеровки, а также на аккумуляцию тепла насадок регенеративных камер и футеровки печей периодического действия.

Степень черноты e огнеупора определяет интенсивность лучистого теплообмена в печи или в топке между факелом, футеровкой и нагреваемым материалом, особенно при отсутствии уноса в газах и сохранении внутренней поверхности футеровки от шлакования.

6.2 Изменение объёма и линейных размеров огнеупора при нагревании.

При высоких температурах возможны два варианта изменения объёма и линейных размеров в процессе работы.

1. Обратимые тепловые расширения.

2. Остаточные изменения размеров.

Тепловое расширение огнеупора вызывает температурные напряжения, которые приводят к растрескиванию кладки. Этот процесс связан с теплофизическими свойствами огнеупора. В кладке огнеупоров необходимо оставлять температурные швы.

Остаточные изменения обусловлены необратимыми физико-химическими процессами, протекающими при высоких температурах. Это спекание материалов в результате появления жидкой фазы., которые приводят к усадке изделия и изменению его плотности.

Эти процессы должны завершаться при обжиге изделий при их изготовлении. Отсюда вытекает правило: температура обжига изделий всегда должна превышать температуру их эксплуатации.

Однако это не всегда выполняется, т.е. при обжиге не достигается равновесие фазовых составов. Ряд процессов продолжает протекать в изделиях во время их службы. При этом возникают остаточные деформации, которые характеризуются показателем «постоянство объёма».

Остаточные изменения приводят к расстройству кладки и растрескиванию швов; если же они связаны с полиморфными превращения-ми, то они могут привести и к росту кладки, что должно быть учтено конструктивными мерами (динас).

В большинстве случаев непостоянство объёма проявляется в сокращении размеров и характеризуется величиной дополнительной усадки. Величину дополнительной усадки (роста) определяют как разницу в % размеров или объёма до нагревания и после. Обычно эта величина £ 1-1,5%.

Термическим коэффициентомлинейного расширения называют увеличение линейных размеров тела при нагревании на один градус (a, К^-1). Порядок этой величины для некоторых оксидных кристаллов a=(6¸8)×10^-6 К^-1. Для аморфных тел и для кристаллов с кубической решёткой термический коэффициент объёмного расширения bпри нагревании на 1 ^оС примерно в три раза больше линейного.

Термический коэффициент расширения влияет и на линейное расширение изделия при нагреве. Знание термического расширения необходимо при определении допустимой скорости нагрева печи, а также для расчета необходимого количества и размеров температурных швов, зазоров, обеспечивающих возможность расширения огнеупора без разрушения кладки.

Постоянство объёма при высоких температурах.

В процессе службы огнеупоров в условиях высоких температур вследствие продолжающегося спекания и различных физико-химических процессов происходит так называемое дополнительное изменение объёма (например, шамот даёт дополнительную усадку, динас – дополнительный рост). Незначительная дополнительная усадка не вызывает разрушения кладки, а небольшой дополнительный рост влияет положительно, так как приводит к уплотнению швов. Дополнительный рост или усадку огнеупоров вычисляют по формуле.

где V₁ – объём после нагрева до температуры печи и выдержки при этой температуре в течении 2 часов;

V₀ – первоначальный объём.

Заметное изменение объёма недопустимо, поэтому при изготовлении изделий вводят в состав шихты компоненты, обеспечивающие постоянство объёма. Большую роль играет обжиг изделий. Недостаточно обожженные изделия в процессе службы при температурах выше температур обжига дают значительные дополнительные изменения в результате продолжающихся минералогических превращений.

Теплофизические свойства некоторых огнеупоров приведены в таблицах 6.2.1- 6.2.2

Таблица 6.2.1 Теплофизические свойства огнеупоров.

Таблица 6.2.2 Теплофизические свойства огнеупоров.