METAL 2003
20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí
ODOLNOST ŽÁROBETONOVÝCH VYZDÍVEK PŘI PROVOZU FLUIDNÍHO KOTLE Filip Ovčačíka István Szücs b Pavel Hašeka a
Ústav průmyslové keramiky, Katedra tepelné techniky, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, VŠB-TU Ostrava b Institut tepelné energie, Katedra technologie spalování paliv, Universita Miskolc, Maďarsko Abstrakt The submitted article presents results of the resistance against the sudden thermal shocks in the castable linings fluidized-bed boilers. There was the goal to specify the castable with the highest resistance against the sudden thermal shocks from the range of common castables. From this aspect it should be recommended which one is for using into linings of very effortful fluized-bed boiler with combustion of the black coal in fluid bed. Four castables and one brick based on andalusite were the object of our measuring. The brick based on andalusite was added into measured materials to compare characteristics of shaped materials against non shaped ones. In our case it was decided that the method of diagnosis of the resistance against the sudden thermal shocks will perform by the calculation from the characteristics. There was the result so-called factor of resistance R. This factor can be realized from measured value of the strength in tension with higher temperature and from the Young´s modulus of elasticity in the tension. The mentioned criterion enabled to compare the resistance against the sudden thermal shocks with choice temperature or in set range of temperature.From the results of the tensile test and of the next calculation there is definitely sure that detection of the resistance against the sudden thermal shocks by this method is castable NOVOBET 1550 which is the strongest of all and it has added the fibres from anticora steel. The samples of material NOVOBET 1550 where the fibres from anticora steel were not added had about order lower value. During measuring also next castable PHLOCAST M 32 SR with the low content of cement embodied very similar funds how NOVOBET 1550 which was mentioned earlier. From this measuring it can be deduced the finish where the both castables with medium content of cement also had about the same values of R. This is castable MEBET 1550 and KERGUN C 28 HR. With the comparing of these two castables the castable MEBET1550 was more resistant than the next one. The brick based on analusite was added among measured samples from castebles through the confrontation and during measuring of the strenght in tension it presented the high differences in measured values. Abstrakt Předložený příspěvek prezentuje výsledky odolnosti proti náhlým změnám teploty žárobetonových vyzdívek fluidních kotlů. Cílem bylo určit, který ze skupiny běžně dostupných žárobetonů má nejvyšší odolnost proti náhlým změnám teploty a z tohoto hlediska jej doporučit pro použití ve vyzdívkách exponovaných míst kotle se spalováním černého uhlí ve fluidní vrstvě. Předmětem našeho měření byly čtyři žárobetony a jedna andalusitová tvarovka, která byla přidaná mezi měřené materiály z důvodů srovnání vlastností tvarových a netvarových materiálů. 1
METAL 2003
20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí
V našem případě bylo rozhodnuto, že metoda určení odolnosti proti náhlým změnám teploty bude provedena výpočtem z vlastností. Výsledkem byl tzv. faktor odolnosti R´. Tento faktor lze získat z naměřených hodnot pevnosti v ohybu za zvýšené teploty a z Youngova modulu pružnosti v tahu. Uvedené kritérium umožňovalo porovnat odolnost proti náhlým změnám teploty při zvolené teplotě, nebo v daném teplotním rozmezí. Z výsledků ohybové zkoušky a následném přepočtu jednoznačně vyplývá, že z hlediska této metody zjišťování odolnosti proti náhlým změnám teploty je nejodolnější žárobeton NOVOBET 1550 s přídavkem vláken z antikorozní oceli. Vzorky z materiálu NOVOBET 1550 bez přídavku vláken vykazovaly o řád menší hodnoty. I další žárobeton, PHLOCAST M 32 SR, s nízkým obsahem cementu vykazoval během měření velice podobné hodnoty jak výše uvedený NOVOBET 1550. Dále se dal z měření vyvodit závěr, že i oba žárobetony se středním obsahem cementu měly přibližně stejné hodnoty R’. Jedná se o žárobetony MEBET 1550 a KERGUN C 28 HR. V porovnání těchto dvou MCC žárobetonů byl odolnější vzorek z materiálu MEBET 1550. Andalusitová tvarovka, která byla mezi měřené materiály ze žárobetonů zařazená pro srovnání, vykazovala během měření pevností v ohybu velmi vysoké rozdíly v naměřených hodnotách. 1. ÚVOD V důsledku zavádění nových technologických procesů a s používáním nových druhů žárovzdorných materiálů vyšších jakostí dochází k poklesu jejich specifické spotřeby a součastně dochází k podstatným změnám v sortimentu výrobků. Především se mění poměr tvarových a netvarových výrobků a to v prospěch žáromonolitů, které již často svými vlastnostmi převyšují tvarové výrobky. Mezi tyto nové technologické pochody patří bezesporu také fluidní spalování paliv. K výhodám tohoto procesu patří jeho schopnost dosáhnout při spalování i velmi nekvalitních paliv velkého stupně odsíření spalin. Také provozní náklady v porovnání se staršími technologiemi vyznívají pro fluidní spalování. Ale naproti tomu požadavky kladené na vyzdívku fluidních kotlů jsou velice vysoké. A to jak z hlediska tvarové složitosti vyzdívky, tak i z hlediska prostředí, kterému je vyzdívka vystavena. Během provozu je vyzdívka značně namáhána abrazí jemných částeček, unášených velkou rychlostí. Dalším problémem je uvedení fluidního kotle do provozu z nulového na pracovní výkon. Tato část provozu kotle namáhá vyzdívku rychlými teplotními změnami. Tento článek se zabývá, problémem, který z běžně dostupných a používaných žárobetonů, má nejvyšší odolnost proti náhlým změnám teploty a tedy předpoklad výborně splňovat výše uvedené náročné provozní podmínky ve fluidním kotli. 2. POUŽITÉ MATERIÁLY A METODIKA EXPERIMENTŮ Předmětem našeho měření byly následující čtyři žárobetony a jedna andalusitová tvarovka, která byla přidaná mezi měřené materiály z důvodů srovnání vlastností tvarových a netvarových materiálů. - ANDALUSITOVÁ TVAROVKA V-AN55S od firmy Keravit, spol s r.o. - KERGUN C 28 HR - MEBET 1550 od firmy Průmyslová keramika, spol. s r.o. - NOVOBET 1550 – FS (2%žáropevných vláken) od firmy Průmyslová keramika - NOVOBET 1550 od firmy Průmyslová keramika, spol. s r.o. - PHLOCAST M 32 SR od firmy Lafarge U tvarovky se jedná o vysoce hlinitou tvarovku na bázi andalusitu s obsahem Al2O3 minimálně 55%. Z tvarovky standardních rozměrů byly vzorky vyřezány diamantovou pilou na požadované rozměry. Odběr vzorku byl proveden ze středu andalusitové tvarovky.
2
METAL 2003
20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí
Kergun C 28 HR: jde o vysoce hlinitou žárovzdornou torkretační směs na bázi šamotu. Maximální provozní teplota je 1500°C. Minimální obsah Al2O3 zaručený výrobcem je 51,5%. Jedná se žárobeton se středním obsahem cementu. Mebet 1550: Tento hutný žárobeton se středním obsahem cementu (MCC) je na materiálové bázi bauxitu. Zaručený obsah Al2O3 je 78%. Maximální teplota použití je 1550°C Novobet 1550 – FS: Jde o nízkocementový žárobeton s přídavkem 2% vláken ze žárovzdorné oceli. Tyto vlákna jsou vyráběna firmou FIBRETECH v Anglii. Jsou to vlákna vyráběná se slitiny s velmi vysokým obsahem chrómu a niklu Teplota tání je udávaná na 1510°C, teplota použití je do 1205°C Novobet 1550: U tohoto žárobetonů s nízkým obsahem cementu (LCC) udává výrobce obsah CaO 2,5%. Materiálová báze tohoto žárobetonu je bauxitová s maximální teplotou použití 1550°C. z chemického složení vyplývá obsah Al2O3 80%. Phlocast M 32 SR: Hutný žárobeton na bauxitové bázi s nízkým obsahem cementu. Maximální teplota použití je 1600°C. Obsah Al2O3 vyplývající z chemického složení je 77,7%. Pro porovnání odolnosti proti náhlým změnám teploty při zvolených teplotách nám dostatečně poslouží faktor odolnosti R´. Jedná se o metodu stanovení odolnosti proti náhlým změnám teploty výpočtem z vlastností. Faktor R´se stanoví z rovnice (1). σ R´= (1) (1) E kde σ je pevnost v tahu za ohybu (MPa) a E je modul pružnosti v tahu (MPa). Tyto veličiny byl získány měřením na měřícím přístroji jednalo se o model Německé firmy NETZSCH-Gerätebau GmbH typu 422 D/3. S tímto modelem je možné zkoušet až do teplot 1450°C. Tento model se používá k plynulému měření vzorků tří - bodovou metodou, pro stanovení pevnosti v ohybu až do 60N/mm2. Měření bylo rozděleno podle tří teplot, při kterých bylo třeba stanovit odolnost proti náhlým změnám teploty. Tyto teploty byly stanoveny s ohledem na provozní podmínky 500, 700 a 900°C. 3. VÝSLEDKY A DISKUSE Výsledné hodnoty byly pro přehlednost zpracovány do sloupcových grafů viz obrázek č. 1 - 6, ze kterých jde nejlépe vidět materiál, který má nejvyšší odolnost proti náhlým změnám teploty vyjádřenou faktorem R´.
Andaluzite brick 0,005 0,004 R´ 0,003 [1] 0,002 0,001 0 1 4 7 500°C
2 5 8 700°C
3 6 9 900°C
Fig. 1 Thermal shock resistance to brick based on analusite 3
METAL 2003
20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí
Kergun C 28 HR 0,005 0,004 R´ 0,003 [1] 0,002 0,001 0 1
4 7 500°C
2
5 8 700°C
3
6 9 900°C
Fig. 2 Thermal shock resistance to castable Kergun C 28 HR
Mebet 0,005 0,004 R´ 0,003 [1] 0,002 0,001 0 1
2 3 500°C
4
5 6 700°C
7
8 9 900°C
Fig. 3 Thermal shock resistance to castable Mebet 1550
Novobet FS 0,02 R´ 0,01 [1] 0 1
4 7 500°C
2
5 8 700°C
3
Fig. 4 Thermal shock resistance to c
6 9 900°C
Fig. 4 Thermal shock resistance to castable Novobet 1550 – FS
4
METAL 2003
20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí
Novobet 0,005 0,004 R´ 0,003 [1] 0,002 0,001 0 1
2 3 500°C
4
5 6 700°C
7
8 9 900°C
Fig. 5 Thermal shock resistance to castable Novobet 1550
Phlocast M 32 SR 0,005 0,004 R´ 0,003 [1] 0,002 0,001 0 1
2 3 500°C
4
5 6 700°C
7
8 9 900°C
Fig. 6 Thermal shock resistance to castable Phlocast M32 SR Při měření docházelo u některých vzorků ke značnému rozptylu naměřených hodnot. Pro další a podrobnější měření by větší množství zkušebních vzorků zvýšilo výslednou přesnost a snížilo rozptyl výsledků. U grafu číslo 4 muselo být použito jiného měřítka, protože výsledné hodnoty jsou zcela neporovnatelné s ostatními materiály.
5
METAL 2003
20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí
4. ZÁVĚR Z výsledků ohybové zkoušky a následném přepočtu jednoznačně vyplývá, že z hlediska této metody zjišťování odolnosti proti náhlým změnám teploty je nejodolnější žárobeton NOVOBET 1550 s přídavkem vláken z antikorozní oceli. Vzorky z materiálu NOVOBET 1550 bez přídavku vláken vykazovaly o řád menší hodnoty. I další žárobeton, PHLOCAST M 32 SR, s nízkým obsahem cementu vykazoval během měření velice podobné hodnoty jak výše uvedený NOVOBET 1550. Dále se dal z měření vyvodit závěr, že i oba žárobetony se středním obsahem cementu měly přibližně stejné hodnoty R’. Jedná se o žárobetony MEBET 1550 a KERGUN C 28 HR. V porovnání těchto dvou MCC žárobetonů byl odolnější vzorek z materiálu MEBET 1550. Andalusitová tvarovka, vykazovala během měření pevností v ohybu velmi vysoké rozdíly v naměřených hodnotách. Tvarovka byla z hlediska číselného vyjádření odolnosti proti náhlým změnám teploty mezi oběma základními typy žárobetonů, ale blíže ke středocementovým. LITERATURA Hasselman, D.P.H. Journal Amer. Ceram. Soc.46 (1963), 50 (1967), 52 (1969), 57 (1974) Kingery, W.D.: Factors affecting thermal stress resistance of Ceramic materials. Journal American Ceramic Society, 1969 s. 495-504
6
