warunki zużywania piece obr, Akademia Górniczo - Hutnicza, Technologia Chemiczna, Studia stacjonarne I stopnia, SEMESTR 5, EKSPLOATACJA MATERIAŁÓW OGNIOTRWAŁYCH, PREZENTACJE, RÓŻNE

Obmurza wszystkich pieców pracują w warunkach narzuconych przez technologiczne wymagania obróbki cieplej konkretnych surowców czy wyrobów ceramicznych, a także zależnych od sposobu działania i konstrukcji samego pieca.

              Technologie obróbki cieplnej określają wysokość maksymalnej temperatury procesu, czas jego działania, szybkość nagrzewania i studzenia wsadu ,a także skład środowiska gazowego przestrzeni roboczej pieca.

              Od rodzaju i sposobu działania pieca zależeć będzie sposób nagrzewania jego obmurza :  cykliczne nagrzewanie i studzenie razem z wsadem, bądź też długotrwały i względnie stały stopień nagrzania poszczególnych jego elementów . Wsad kontaktując się z obmurzem może nie tylko oddziaływać na nie mechanicznie, ale też wchodzić z nim w reakcje chemiczne, czemu sprzyjają wysokie temperatury pracy. Od konstrukcji pieca i poszczególnych jego elementów zależeć będą rodzaj i wielkość występujących w obmurzu obciążeń mechanicznych i gradientów temperatur.

              Pod wpływem tych czynników tworzywo materiału obmurza może ulegać zmianom i procesom, których skutkiem będzie zużycie pieca, prowadzące do konieczności jego remontu.

              Mimo dużej różnorodności stosowanych konstrukcji piecowych i różnorodności przeprowadzanych w nich procesów, zawsze można się w nich dopatrzyć występowania czterech oddziaływań niszczących. Są to:

Oddziaływania te zwykle występują jednocześnie, nakładając się na siebie, jednak dla wygody oceny ich wpływu omówimy je oddzielnie.

WYSOKA TEMPERATURA

Procesy obróbki cieplnej różnych materiałów ceramicznych prowadzone są w temperaturach od kilkuset do nawet ponad 2000 st. C. Wysoka temp. W znacznym stopniu warunkuje skuteczność innych czynników niszczących, zwłaszcza chemicznego oddziaływania środowiska pracy oraz obciążeń mechanicznych. Z działaniem wysokiej temperatury związane jest też niszczące działanie naprężeń cieplnych, ale o tym za chwilę.

Wpływu wysokiej temperatury na trwałość obmurzy nie można pomijać z czterech powodów:

Praktyka eksploatacyjna wyłożeń ogniotrwałych w piecach obrotowych przemysłu cementowego  wskazuje, że wpływ wysokiej temperatury pracy przejawia się najczęściej w niszczącym działaniu powstających w nich naprężeń cieplnych.

NAPRĘŻENIA CIEPLNE

Naprężeniami cieplnymi określa się naprężenia mechaniczne powstające w wymurówce lub jej elementach wskutek dostarczania do nich i przepływu przez nie ciepła. Są one nierozerwalne ze zjawiskiem rozszerzalności cieplnej materiału obmurza, a ich wielkość zależy od tego jak duża jest rozszerzalność tworzywa wymurówki. Mechanizm powstawania takich naprężeń może być różny.

              Materiały ogniotrwałe są tworzywami polikrystalicznymi i polifazowymi. Składają się z ziarn faz o zróżnicowanych współczynnikach rozszerzalności cieplnej lub, niekiedy wykazujących anizotropię tej własności. Nagrzanie takich tworzyw powoduje powstanie w nich naprężeń cieplnych I rodzaju, które są rezultatem:

·         Niezgodności kierunków lub

·         różnic współczynników rozszerzalności cieplnej

poszczególnych ziaren w tworzywie.

Naprężenia cieplne 1 rodzaju ograniczają się do mikroobszarów w obrębie kontaktów międzyziarnowych, ich rezultatem mogą być lokalne mikrospękania. Naprężenia te zawsze towarzyszą pracy obmurzy pieców, jednak ich działanie niszczące nie jest zbyt wyraźne.
Powstające mikrospękania same w sobie na ogół nie są przyczyną destrukcji wyrobów. Mogą one być nawet korzystne, bo rozładowywać się będą na nich naprężenia wywołane innymi przyczynami. Właściwość tą wykorzystuję się dla poprawienia odporności materiałów ogniotrwałych na nagłe zmiany temp.

Na zużywanie się obmurzy zasadniczy wpływ mają naprężenia cieplne II rodzaju, których rezultatem mogą być rozległe makrospękania wyrobów i w rezultacie późniejsze odpadanie warstw wyłożenia o mniejszej lub większej grubości. Naprężenia te mogą powstawać w przypadkach gdy:

·         wyłożenie ma ograniczoną możliwość swobodnej ekspansji cieplnej,

·         panuje w nim nieliniowy rozkład temperatury,

·         temperatura wyłożenia ulega gwałtownym zmianom.

Zacznijmy od naprężeń powstających wskutek hamowania ekspansji cieplnej.

Dylatacja – szczelina utworzona celowo w konstrukcji,  eliminuje  wpływ skurczu lub pęcznienia materiałów użytych do wykonania elementu

  Obmurza pieców zamknięte z zewnątrz, muszą mieć zapewnioną przestrzeń, umożliwiającą ich ekspansję cieplną przy nagrzewaniu. Naprężenia mechaniczne powstające w skutek hamowania rozszerzalności cieplnej mogą teoretycznie nawet wielokrotnie przekroczyć wytrzymałości mechaniczne wyrobów ogniotrwałych. Stąd w konstrukcji wyłożeń  przewiduje się tzw. Szczeliny dylatacyjne. Mają one postać odstępów między kształtkami czy fragmentami obmurza, które w zależności od wyłożenia są puste lub wypełnia się je materiałami wypalającymi np., tektura lub ściśliwymi.

Ustalanie wielkości szczelin dylatacyjnych jest bardzo ważne przy projektowaniu obmurzy. Jeśli ich wielkość będzie zbyt duża , wówczas szczeliny te nie zamkną się w temperaturze pracy i obmurze będzie nieszczelne. Jeśli będą zbyt małe, to nie spełnią swego zadania i wskutek powsatania zbyt dużych naprężeń , obmurze ulegnie przyspieszonemu zużyciu lub zniszczeniu ulegną ściągi obudowy pieca.

Wielkość szczelin dylatacyjnych najczęściej ustala się w oparciu o rozszerzalność cieplną wyrobów obmurza w temp. pracy , zwykle przy uwzględnieniu innych jeszcze parametrów, np. skurczliwość zaprawy.

NAPRĘŻENIA POWSTAJĄCE PRZY NIELIOWYM ROZKŁADZIE TEMPERATURY             

W warunkach nieustalonego przepływu ciepła przez wyłożenie ,  na jego grubości powstaje nieliniowy rozkład temperatur. Z takimi przypadkami mamy do czynienia w sytuacjach bardzo szybkiego nagrzewania lub studzenia wyłożenia lub gdy jego temperatura ulega gwałtownym zmianom. W obu przypadkach zjawiska zachodzące w wyłożeniu jakościowo są podobne.

Zjawisko powstawania naprężeń mechanicznych przy nieliniowym rozkładzie temperatury przedstawię dla przypadku szybkiego rozgrzewania wyłożenia pieca.

Wyłożenie pieca obrotowego nagrzewane jest jednostronnie, tylko od strony wnętrza. Taki sposób nagrzewania oraz ograniczona przewodność cieplna materiału powodują, że na grubości wyłożenia temperatura spada w kierunku do pancerza. Charakter tego spadku zależy od szybkości nagrzewania.

Rozważmy teraz dwa przypadki : w pierwszym piec nagrzewany będzie powoli( w przyp pieców obrotowych do 300st 100st/godz, 300-600st 65st/godz i pow 600st) a w drugim  ze skrajnie duża szybkością – 600st na godz..

Przy powolnym rozgrzewaniu rozkład temp jest zbliżony do liniowego , a temperatura zimnego końca wymurówki zaczyna się już podnosić gdy temp warstw roboczych sięga 300st.

Natomiast przy rozgrzewaniu skrajnie szybkim powierzchnia wymurówki osiąga temp 1500st już po ok 2,5 godz., podczas gdy temp zimnego jej końca , a wiec i pancerza zaczyna się podnosić. Gradienty temp sa też wyraźnie większe w pobliżu powierzchni roboczej.

To opóżnienie w nagrzewnaiu się zimnych końców wymurówki , a więc też pancerza niesie możliwość uszkodzenia wymurówki wskutek braku jej kompensacji, jaką daje rozszerzający się pancerz pieca.

W nagrzewanej jednostronnie kształtce , kolejne je warstwy mają coraz to niższą temperaturą. Warstwy te będą się rozszerzać odpowiednio do swej temperatury, czyli kształtka będzie się rozszerzać więcej w  części  gorącej i mniej w części zimnej. W wyniku tego kształtka ulegnie wygięciu.

Przy liniowym spadku temperatury poszczególne warstwy ulegną jednakowemu ugięciu i linie bocznych powierzchni kształtki pozostaną prostymi.

Przy nieliniowym spadku temperatury kąty środkowe wygięcia poszczególnych warstw będą różne, bo warstwy bardziej nagrzane dążą do silniejszego wygięcia. Konsekwencją tego będzie wygięcie bocznych powierzchni kształtki.

Kształtka ma budowę ciągłą, rozszerzanie się warstw bardziej nagrzanych hamowane jest mniej rozszerzającymi się warstwami chłodniejszymi. W rezultacie w kształtce mamy układ naprężeń, taki jak przedstawiono na rysunku.

W kierunku poprzecznym do osi kształtki powstaje strefa naprężeń ściskających, gdyż jej ekspansja hamowana jest przez warstwę chłodniejszą. Ona z kolei doznaje naprężeń rozciągających, ponieważ nie jest w stanie dostosować się do silniejszej ekspansji warstwy bardziej nagrzanej.

W kierunku wzdłużnym, oba zewnętrzne pasy pasy kształtki poddane są naprężeniom ściskającym, wynikającym z dążenia warstw bardziej nagrzanych do silniejszego wygięcia, a pas środkowy naprężeniom rozciągającym.

Naprężenia ściskające i rozciągające powodują powstanie momentu obrotowego, którego rezultatem jest wystąpienie sił rozrywających, mogących powodować poprzeczne spękania kształtki.

Wielkość naprężeń powstających w kształtkach zależy od wielkości gradientu temperatury. Dla każdego wyrobu istanieje wartość krytyczna, którą wyrób może wytrzymać bez spękań.

Przy bardzo wolnym nagrzewaniu spadki temperatury zbliżone są do liniowego ,a powstałe naprężenia materiał na ogół wytrzymuje  bez spękań. Natomiast w przypadku szybkiego nagrzenia  powstają poprzeczne spękania kształtek i mogą odpadać warstwy wymurówki.

Wielkość naprężeń powstających w nagrzewanych kształtkach zależy też od ich wymiarów geometrycznych. Jeżeli zmniejszymy grubość kształtki to naprężenia powstające w niej przy takiej samej szybkości nagrzewania będą wyraźnie mniejsze, tak jak na rysunku.

Jak widzimy wymurówka zbudowana z kształtek o mniejszym przekroju poprzecznym jest mniej wrażliwa na szybkość wzrostu temperatury, więc może być rozgrzewana szybciej. Możemy również zauważyć, szerokość strefy największych naprężeń ulega zmniejszeniu, jednocześnie przesuwa się w stronę strefy roboczej, czyli ewentualne spękania powstawać będą w mniejszej od niej odległości i odpadanie wymurówki będzie zachodziło cieńszymi warstwami.

NAPRĘŻENIA POWSTAJĄCE PRZY ZMIANACH TEMPERATURY

              Jeżeli nagrzaną kształtkę zaczniemy gwałtownie chłodzić to jej szybciej oziębione warstwy zewnętrzne będą się kurczyć do objętości odpowiadającej ich aktualnej temperaturze. Przeciwstawiać się będą temu gorące, nie kurczące się jeszcze warstwy wewnętrzne. W konsekwencji w warstwach wewnętrznych powstaną naprężenia ściskające, a w zewnętrzych naprężenia rozciągające. Przy gwałtownym nagrzaniu chłodnej kształtki układ naprężeń będzie odwrotny.

Rezultatem naprężeń jest pojawienie się rys, rozluźnienie tekstury wyrobów i wystąpienie spękań, co obniża ich wytrzymałość mechaniczną lub powoduje ich zniszczenie.

              Przy gwałtownym ogrzaniu tworzą się spękania skośne i równoległe do powierzchni wyrobu, raczej w warstwach powierzchniowych. Przy gwałtownym ochłodzeniu powstają spękania prostopadłe do powierzchni i rozciągają się w głąb kształtki. Częste zmiany temperatury niszczą wyroby raczej powierzchniowo, a powolne powodują spękania rozległe i głębokie.

Odporność wyrobów ogniotrwałych na działanie tego rodzaju naprężeń cieplnych bada się empirycznie, poprzez wizualną ocenę skutków poddania kształtek cyklicznym wstrząsom cieplnym. Jako wskaźnik tej odporności podaje się ilość cykli, które wyrób wytrzymuje bez pojawienia się określonych spękań.

Zmiany temperatury wyłożenia są charakterystyczną cechą pieców obrotowych momo, że są to piece o pracy ciągłej. Zmiany wynikają z przykrywania części wymurówki przesypującym się wsadem.  Następują podczas każdego obrotu pieca, a więc przynajmniej kilka razy w ciągu godziny, a ich wielkości są rzędu 100- 200 st. Zmiany temperatury wymurówki powodowane mogą być też zmianami masowych obciążeń wsadem, za którymi nie nadążają odpowiednie regulacje wydajności cieplnej palników.

ODDZIAŁYWANIA MECHANICZNE

Odziaływania te mogą mieć charakter statyczny jak również dynamiczny. Np.:

·         ścierające oddziaływanie przesuwającego się wsadu,

·         ścierające oddziaływanie pyłów unoszonych w gazach,

·         obciążenia konstrukcyjne pochodzące od ciężaru wyłożenia (konstrukcja samonośna),

·         wstrząsy i deformacje wymurówek.

Deformacje przekroju poprzecznego pancerza powodują, że w wymurówce , na jej obwodzie powstają rejony działanie różnych naprężeń. W czasie każdego obrotu pieca kształtki w pierścieniach wymurówki podlegają przynajmniej dwukrotnie przemiennemu zacieśnianiu i rozluźnianiu. Takie oddziaływanie skutecznie niszczy wumurówkę.

Skutki deformacji pancerzy są tym wyraźniejsze im większe są śrenice pieców. Większe jest wtedy obciążenie wymurówką, a jednocześnie mniejsza sztywność bębna i słabsze związanie kształtek w pierścieniach.

Innym przykładem oddziaływań mechanicznych jest ścieranie wymurówki granulami wsadu i odłamkami napieku, które podnoszone są obracającym się bębnem na pewną wysokość , zsuwają się w dół i jednocześnie przesuwają się po wymurówce w kierunku wylotu pieca. Najsilniejsze ścieranie występuje tam, gdzie wsad ma już postać granul, a na wymurówce nie ma ochronnej warstwy napieku.

Ścierająco na wymurówki działają również pyły unoszone przez gazy piecowe, zwłaszcza tam gdzie kierunek ruchu gazów ulega załamaniom.

Te różnorakie oddziaływania mecheniczne mogą powodować bezpośrednie uszkodzenia i zużycia wymurówek , bądź też nasilają niszczące działanie innych czynników, np. korozji.