Технічні науки/Металургия

Іванов В..І., Нестеренко Т.М., Печеннікова В.М., Моісейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВІДНОСТІ МАГНЕЗІЙНИХ ВОГНЕТРИВІВ

Об’єктивна інформація про вплив складних процесів перенесення теплоти та маси у вогнетривких виробах на їх теплофізичні параметри під час теплової обробки є необхідною для оптимізації режимів випалювання зазначених виробів у високотемпературних теплових агрегатах.

Внутрішнє перенесення теплоти у вогнетривких виробах під час сушіння та випалювання обумовлює інтенсивне перенесення маси: випаровування, видалення вологи та летких компонентів, реакції розривання старих та утворення нових хімічних зв’язків у рідкому і твердому стані. В свою чергу, процеси перенесення маси, змінюючи структуру гетерогенного вогнетривкого виробу, змінюють його теплофізичні параметри, що не може не позначитися на розподілу поля температури в оброблюваному матеріалі. Такий взаємозв’язок простежується у чисельних значеннях коефіцієнта температуропровідності для різної швидкості нагрівання та випалювання.

Дослідження комплексного показника теплофізичних параметрів матеріалу - коефіцієнта температуропровідності - здійснювали для магнезійних вогнетривів, що виготовляють для футерівки склепіння мартенівських, дугових сталеплавильних печей і конвертерів. Хімічний склад виробів, %: 75,90 MgO; 9,20 Cr₂O₃; 5,48 Fe₂O₃; 2,93 CaO; 1,63 інші.

Методика визначення вищезгаданого коефіцієнта заснована на використанні відомого розв’язання одновимірного рівняння теплопровідності за лінійним змінюванням температури поверхні пластини [1]. Під час теплової обробки даного вогнетривкого виробу на вогневому стенді безперервно реєстрували змінювання температури на його поверхні й осі. Для спрощення розрахункової частини під час визначення величин коефіцієнта температуропровідності застосовували графо-аналітичний метод [2].

Для аналізу порядку значень верхньої межі змінювання коефіцієнта температуропровідності використовували магнезітохромітовий виріб із усередненим хімічним складом за фазами, об’ємні долі: кристалічна фаза (кристали MgO і MgO×Cr₂O₃) – 0,70; силікатна фаза (сполуки SiO₂, CaO, Fe₂O₃) – 0,18; повітряно-парова – 0,12 [3].

З використанням відомих значень коефіцієнта теплопровідності l_i = f(Т) для окремих (i-тих) фаз багатокомпонентної системи, що розглядається, [3] за законом адитивності були обчислені їх теплові опори, а потім і розрахункові значення коефіцієнта теплопровідності l_p = f(Т). Усередненням даних хімічного та фазового складу виробу на підставі закону адитивності [4] були отримані розрахункові значення питомої теплоємності

Дослідженнями встановлено, що чим вище швидкість зростання середньої температури виробу, то тим менше імовірність повного проходження фізико-хімічних процесів дегідратації, вигоряння органічного в’яжучого, розривання старих та утворення нових хімічних зв’язків, а, отже, тим ближче величина коефіцієнта температуропровідності до первисних розрахункових значень. Розрахункові значення коефіцієнта температуропровідності визначаються тільки температурним станом даної гетерогенної системи та відповідають верхній межі їх варіацій. Чим менша швидкість зростання температури до заданих середніх значень, тим більша імовірність повного проходження незворотних процесів, що приводять випалювані вироби до нового фізико-хімічного стану з новими теплофізичними параметрами.

Вплив швидкості нагрівання на теплофізичні властивості випаленого вогнетриву найпомітніше спостерігається в інтервалі температур 300-1280 К, де лімітуючими є дифузійні процеси дегідратації та вигоряння органічного в’яжучого, що проходять за певних температурних умов і потребують часу на відведення пароподібних продуктів від центральних шарів виробу до його поверхневих шарів, на підведення кисню до органічних компонентів і відведення продуктів горіння за капілярами до поверхні виробу.

Різке зниження ефективних значень коефіцієнта температуровідності в інтервалі 300-580 К за малої швидкості нагрівання можна пояснити довгочасністю процесу нагрівання, протягом якого одержують якнайповніший розвиток процеси видалення вологи та летких речовин під час розкладання органічного в’яжучого. Під час нагрівання до середньої за перетином виробу температури порядку 580 К напівфабрикат набуває нових значень коефіцієнтів теплопровідності та питомої теплоємності: теплопровідність його різко зменшується через утворення пор, заповнених повітрям, а ефективна теплоємність зростає через проходження ендотермічних процесів паротворення вологи та сублімації органічного в’яжучого.

Як наслідок, спостерігаються незначні розбіжності між розрахунковим значенням коефіцієнта температуропроводності та його практичним значенням, одержаним експериментальним шляхом.

Література

1. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1967. – 599 с.

2. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. – М.: Металлургия, 1962. – 568 с.

3. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их компонентов. – М.: Мир, 1968. – 464 с.

4. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник. Т.II / Под ред В.П.Глушко. – М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 916 с.