Nowoczesne materia y ogniotrwa e dla zastosowa w piecach szklarskich

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 2, (2012), Nowoczesne materia y ogniotrwa e dla zastosowa w piecach szklarskich RAFA SINDUT Vesuvius Poland Sp. z o.o., ul. Tyniecka 12, Skawina rafal.sindut@vesuvius.com Streszczenie Ci g y post p techniczny powoduje wzrost wymaga stawianych tak e materia om ogniotrwa ym, stosowanym w przemy le szklarskim. Pracuj one w coraz wy szych temperaturach, nara one na liczne czynniki korozyjne. Oczekuje si ich mo liwie najd u szego okresu eksploatacji, bez konieczno ci wykonywania kosztownych napraw i remontów. Wy o enie ogniotrwa e pieca nie mo e powodowa zanieczyszcze masy szklanej. Materia y topione s obecnie stosowane jako te, które maj bezpo redni kontakt ze szk em. Stanowi one najcz ciej obmurze basenu topliwnego. W pozosta ych strefach pieców du ym zainteresowaniem ciesz si wypalane materia y glinokrzemianowe. W artykule przedstawiono charakterystyk materia ów wytworzonych z topionego krzemu, wypalane materia y ogniotrwa- e z uk adu SiO 2 -Al 2 O 3, produkowane przez rm Vesuvius, która dostarcza rozwi zania spe niaj ce rosn ce wymagania technologiczne, ograniczaj c jednocze nie utrzymanie przestoje klienta sprz tu. S owa kluczowe: materia y ogniotrwa e, ceramika ogniotrwa a, piec szklarski, materia y andaluzytowe, materia y mulitowe, topiona krzemionka MODERN REFRACTORY MATERIALS FOR GLASS FURNACES In glass industry, beside expensive, fused refractory materials, there is a big interest in red silica-alumina materials. Their chemical composition and properties cause that they are being widely used in construction of glass furnaces (crowns, walls) and regenerators. The presence of mullite phase in these materials also improves many properties of these products. In this paper, fused silica and modern silica-alumina materials produced by Vesuvius are presented, the examples of their application and quality control. Vesuvius provides solutions to satisfy the increasing technological requirements whilst reducing the downtime maintenance of the customer s equipment. Keywords: Refractory materials, Glass furnace, Andalusite materials, Mullite materials, Fused silica 1. Wst p Materia y ogniotrwa e stosowane do budowy pieców szklarskich mo emy podzieli na dwie grupy. Pierwsza z nich to materia y topione, najcz ciej stosowane w strefach gdzie topiona jest masa szklana. Wy o enie ogniotrwa e w tym obszarze nara one jest na najbardziej agresywne warunki. Materia y z tej grupy s bardzo drogie, odznaczaj si podwy szon odporno ci na korozj. Ze wzgl dów ekonomicznych nie jest jednak uzasadnione stosowanie materia ów topionych poza strefami kontaktu z topionym szk em. W innych obszarach, z powodzeniem stosowane s kszta tki wypalane. Dobierane one s bardzo precyzyjnie w zale no ci od miejsca ich aplikacji. Du popularno ci ciesz si materia- y andaluzytowe b d mulitowe, które s u do wykonywania sklepie, cian, a tak e komór regeneratorów. Tworzywa te, obok odpowiednio wysokiej ogniotrwa o ci zwyk ej, je eli s wytwarzane z zachowaniem wysokich norm jako ciowych, spe niaj szereg innych, wa nych wymaga. Cechuje je m.in. wysoka wytrzyma o mechaniczna, niezmienno wymiarów i kszta tu wraz ze wzrostem temperatury. Szczególnie w przypadku tworzyw mulitowych, ich dobre w a ci- wo ci zwi zane s z obecno ci w ich strukturze fazy mulitu, stechiometrycznego zwi zku chemicznego. 2. Otrzymywanie materia ów ogniotrwa ych Ze wzgl du na posta, w jakiej produkowane s materia- y ogniotrwa e mo emy podzieli je na dwie grupy: formowane, posiadaj ce okre lony kszta t i wymiary (Rys. 1), nieformowane masy konstrukcyjne i naprawcze, betony i zaprawy. Materia y formowane, w postaci prostek, klinów i innych kszta tek stosuje si do murowania wy o e, nieformowane - najcz ciej do wykonywania wy o e monolitycznych lub ich napraw (np. przez wylewanie lub natrysk) [1]. Proces wytwarzania wypalanych materia ów ogniotrwa- ych zaczyna si od odpowiedniego wyboru oraz przygotowania surowców. W produkcji wysokiej jako ci materia ów glinokrzemianowych stosuje si klinkier mulitowy b d mulit topiony, andaluzyt, kerfalit. Surowce te, o odpowiedniej frakcji, poni ej 2,8 mm, mieszane s z ró nymi dodatkami spajaj cymi. W przypadku materia ów formowanych, z tak 277

2 R. SINDUT Rys. 1. Glinokrzemianowe materia y ogniotwa e: materia y formowane, przyk ad pre-monta u (fot. Vesuvius Poland). Fig. 1. Aluminosilicate refractory materials: formed pro les, example of pre-installation (photo. Vesuvius Poland). Rys. 2. Prasa ( oraz piec o kontrolowanej temperaturze wypalania (, wykorzystywane przy produkcji ogniotrwa ych materia ów formowanych (fot. Vesuvius Skawin. Fig. 2. Press ( and furnace with burning temperature control system (, used in manufacture of formed refractory materials (photo. Vesuvius Poland). przygotowanej masy formuje si kszta tki, które nast pnie s suszone i wypalane w temperaturze oko o 1600 C (Rys. 2). Na ostateczne w asno ci otrzymanych kszta tek wp ywa wiele czynników zwi zanych z procesem produkcji. Poza odpowiednio dobranymi surowcami o wysokiej czysto ci, bardzo istotne jest ci nienie prasowania, a tak e temperatura wypalania. Przyk adow pras wysokoci nieniow do kszta tek ogniotrwa ych oraz piec do ich wypalania pokazano na Rys. 2. Inn grup materia ów stanowi tzw. materia y chemicznie wi zane. W ich przypadku pomija si proces wypalania, a tworzywa te swoje ko cowe parametry uzyskuj po zamontowaniu w docelowym urz dzeniu cieplnym i ogrzaniu do temperatury, w której wytworzone zostaj wi zania chemiczne. Materia y nieformowane (zaprawy, betony) gotowe s ju na etapie wymieszania sk adników, kszta t i ich wypalanie przesuni te s na okres po wykonaniu wy o enia. Schemat wytwarzania materia ów ogniotrwa ych formowanych oraz nieformowanych przedstawiono na Rys. 3. Proces wytwarzania materia ów topionych przebiega w odmienny sposób, nawi zuje bardziej do metod hutniczych i odlewniczych [1]. Otrzymywanie materia ów z topionej krzemionki metod formowania masy lejnej przedstawia schemat na Rys. 4. Rys. 3. Schemat wytwarzania wypalanych materia ów formowanych i nieformowanych. Fig. 3. Scheme of red formed and unformed materials production. 278 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 2, (2012)

3 NOWOCZESNE MATERIA Y OGNIOTRWA E DLA ZASTOSOWA W PIECACH SZKLARSKICH Rys. 4. Wytwarzanie materia ów z topionej krzemionki metod formowania masy lejnej. Fig. 4. Scheme of fused silica material production. Stosowany w tym procesie surowiec to kwarc topiony, który mielony jest do wielko ci ziaren m. Nast pnie, po sporz dzeniu masy lejnej jest ona umieszczona w formach i podlega suszeniu. Obróbka termiczna tego tworzywa polega na spiekaniu ziaren materia u, proces ten prowadzony jest w temperaturze powy ej 1000 C, zale nie od przeznaczenia materia u. Odmienn metod jest produkcja przez wtrysk. Masa zawieraj ca smar wt aczana jest do formy aluminiowej, a nast pnie smar jest usuwany w z o onym procesie obróbki termicznej. 3. Kontrola jako ci Wytworzone materia y ogniotrwa e podlegaj rygorystycznym testom, maj cym na celu sprawdzenie ich jako ci. W przypadku wyrobów formowanych, kontrolowana jest dok adno wymiarów ko cowych, budowa wewn trzna, maj ca wp yw na ich zachowanie si w wysokich temperaturach, a tak e parametry mechaniczne. Analiza przy wykorzystaniu wysokiej klasy mikroskopu optycznego dostarcza istotnych informacji o budowie wewn trznej tworzywa. Pozwala ona na obserwacj ró nych faz wyst puj cych w danym materiale oraz okre lenie ich proporcji ilo ciowych (Rys. 5). Przyk adowo, badaj c tworzywa glinokrzemianowe zawieraj ce mulit, wiele informacji o mo liwo ciach zastosowania danego wyrobu i jego w asno ciach dostarcza nam obserwacja tej w a nie fazy. Obecno mulitu, zwi zku o wzorze chemicznym 3Al 2 O 3 2SiO 2, w formie drobnych igie ek o bez adnej informacji, wiadczy o wysokich parametrach wytworzonego materia u. Wp ywa on bowiem w istotny sposób na ogniotrwa o, wytrzyma o mechaniczn i odporno na szoki termiczne wyrobów, w istotny sposób poprawiaj c te parametry. Je eli wyrób jest niew a ciwie ogrzewany podczas procesu produkcji (np. nadmierny wzrost temperatury podczas wypalani, kryszta y mulitu ulegaj wzrostowi, a ich kszta t staje si bardziej izometryczny [2]. Powoduje to pogorszenie wielu w asno ci produktu [2, 3]. Interesuj cym urz dzeniem stosowanym w badaniach materia ów ogniotrwa ych jest równie spektrometr rentgenowsko- uorescencyjny. Analiza odpowiednio przygotowanej próbki nast puje poprzez poddawane jej oddzia ywaniu promieni rentgenowskich (Rys. 6). Badanie pozwala okre- li sk ad chemiczny próbki z du dok adno ci. Rys. 6. Spektrometr rentgenowsko- uorescencyjny typu PW-1480 X Unique produkcji rmy Philips (fot. Vesuvius Poland). Fig. 6. X-ray uorescent spectrometer - type PW-1480 X Unique Philips (photo. Vesuvius Poland). Rys. 5. Urz dzenia do bada jako ci materia ów ogniotrwa ych: badanie wytrzyma o ci mechanicznej, mikroskop optyczny (fot. Vesuvius Poland). Fig. 5. Equipment for testing quality of refractories: mechanical properties, optical microscope (photo. Vesuvius Poland). 4. Przyk ady aplikacji W przemy le szklarskim wykorzystuje si szerok gam materia ów ogniotrwa ych. Dobierane s one w zale no ci od konstrukcji pieca, strefy, w której maj by u yte, a tak- MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 2, (2012) 279

4 R. SINDUT Tabela 1. Sk ady oraz w a ciwo ci wybranych materia ów glinokrzemianowych otrzymanych przy wykorzystaniu andaluzytu oraz mulitu. Table 1. Chemical compositions and properties of selected aluminosilicate materials based on andalusite and mullite. Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3 TiO 2 G sto [g/cm 3 ] Porowato Wytrzyma o [N/mm 2 ] Sillmax 63D 58,5 39,0 1,1 0,3 2,53 14,9 57 Sillmax KA 60,5 37,0 1,3 0,6 2,53 15,0 60 Mullite ALM 74,0 24,2 0,4 0,3 2, Mullite ALME 73,0 25,6 0,4 0,2 2,55 17,0 75 e sk adu chemicznego topionego szk a, tak aby nie wchodzi y w reakcj z wytapianym materia em. W strefach topienia u ywane s materia y topione, takie jak np. AZS. Doskona ym tworzywem jest topiona krzemionka, równie ze wzgl du na jej sk ad chemiczny, przyjazny dla szk a. Poza strefami topienia, gdzie najcz ciej wykorzystuje si materia y topione o najwy szej trwa o ci i odporno- ci, cz sto stosuje si wysokiej jako ci wypalane materia- y glinokrzemianowe, oparte na takich surowcach jak andaluzyt b d mulit. Rys. 8. Fotogra a regeneratora zbudowanego przy wykorzystaniu ogniotrwa ych materia ów glinokrzemianowych rmy Vesuvius Poland, pokazanych we wk adce. Fig. 8. Image of generator which was built with use of Vesuvius aluminosilicate refractory materials. Gardziel palnika : Mullite AMLS, ALME ciana komory I: Mullite ALM, ALMS, Sillm ax KA ciana komory II: Sillmax KA, KAB, 63D, 66 ciana komory III: Sillmax KAB, Nettle DX, Stein 45D Wype nienie komory I : Mullite ALME, ALMS, ALM Wype nienie komory II : Sillmax KA, KAB, 63D Ruszt podkomorowy: Sillmax KA, 63D, 66 Rys. 7. Przyk adowy schemat budowy regeneratora. Fig. 7. Scheme of regenerator construction. Z powodzeniem sprawdzaj si one jako wy o enia cian sklepienia, a tak e jako bloki i p yty przestrzeni ogniowej b d w konstrukcji regeneratorów. S to materia y bardzo trwa e, o niskiej rozszerzalno ci cieplnej (poni ej 1%), wysokiej odporno ci na zmiany temperatur, niskiej przewodno ci cieplnej. Cechuje je tak e dobre w asno ci termomechaniczne [1]. Dodatkowo, obecno mulitu, jedynego zwi zku w tym uk adzie, o wzorze tlenkowym 3Al 2 O 3 2SiO 2 w znacznym stopniu poprawia w asno ci u ytkowe wyrobów. Im wy sza jest jego zawarto tym mniejsza jest podatno materia u na deformacje w wysokich temperaturach, mniejsza skurczliwo wtórna, wi ksza odporno korozyjna [1]. W Tabeli 1 przedstawiono sk ady oraz w a ciwo ci wybranych materia ów glinokrzemianowych otrzymanych przy wykorzystaniu andaluzytu oraz mulitu jako surowca, wytwarzanych w Skawinie, w rmie Vesuvius Poland. Materia y z uk adu SiO 2 -Al 2 O 3 cz sto znajduj równie zastosowanie przy konstrukcji regeneratorów. Schemat budowy regeneratora, zbudowanego przy wykorzystaniu wysokiej jako ci andaluzytowych (Sillmax) oraz mulitowych materia- ów ogniotrwa ych rmy Vesuvius Poland, a tak e fotogra e wykorzystywanych materia ów przedstawiono na Rys MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 2, (2012)

5 NOWOCZESNE MATERIA Y OGNIOTRWA E DLA ZASTOSOWA W PIECACH SZKLARSKICH 5. Podsumowanie Obserwuj c wspó cze nie budowane piece w przemy le szklarskim, a tak e analizuj c wnikliwie informacje o materia ach ogniotrwa ych, które s obecnie dost pne na rynku mo na uzna, i w strefach kontaktu z topionym szk em stosuje si obecnie jedynie materia y topione, takie jak AZS czy topiona krzemionka. Szczególnie ta druga wydaje si ciekawym tworzywem, ze wzgl du na bardzo wysokie parametry wytrzyma o ciowe, ogniotrwa o, niezmienno kszta tu, a tak e sk ad chemiczny (SiO 2 ). Materia ten, w zwi zku z wcze niej przeprowadzon obróbk termiczn jest tworzywem stabilnym, w którym nie zachodz ju adne przemiany zwi zane z wysok temperatur. Topiona krzemionka, zawieraj ca w swym sk adzie ponad 99% SiO 2, czyli jeden z podstawowych sk adników szk a, stanowi doskona y materia na wy o enie cho by sklepienia pieca szklarskiego. W strefach pieca, które nie kontaktuj si bezpo rednio z topionym szk em bezpodstawnym jest u ycie drogich, topionych materia ów ogniotrwa ych. Nie bez znaczenia jednak jest jako zastosowanych wy o e, a tak e ich sk ad chemiczny. Bardzo cz sto stosuje si w tym przypadku wypalane wyroby glinokrzemianowe oparte o takie surowce jak andaluzyt lub mulit. S to tworzywa o bardzo dobrych parametrach wytrzyma o ciowych, wysokiej odporno ci na szkodliw atmosfer pieca szklarskiego oraz du ej wytrzyma o ci na szoki termiczne (szczególnie istotne, np. w budowie regenerator. W przeciwie stwie do dro szych i ci kich materia- ów magnezytowych, tworzywa glinokrzemianowe s tak e proekologiczne i nie wymagaj utylizacji przy ich wymianie. Nale y podkre li, e prawdziwymi materia ami mulitowymi s te, które otrzymano z surowca takiego jak klinkier mulitowy b d czysty mulit. Niektórzy producenci, w celu obni enia kosztów produkcji i nieuczciwej konkurencji stosuj zamiennie palonk mulitow, obni aj c znacznie parametry wyrobów. Innym problemem jest równie wprowadzanie jako surowca z omu ceramicznego, pozyskanego z ró nych obcych róde (wyeksploatowanych pieców). Zanieczyszcza on sk ad chemiczny wyrobu ró nymi niepo danymi tlenkami, cz sto w nieznanej ilo ci. Dzia ania takie, spowodowane ch ci wi kszego zysku przez niektórych producentów, wyra nie widoczne s w wielu parametrach produktów, takich jak wytrzyma o mechaniczna czy wysoka zawarto tlenków tytanu, elaza i innych. W zwi zku z tym, wa ne jest, dla poprawnego i niezawodnego dzia ania wy o enia, wybór materia u o w a ciwym sk adzie chemicznym, a tak e producenta, który starannie kontroluje proces produkcyjny na ka dym jego etapie, stosuj c równie najwy szej jako ci surowce. W a ciwy dobór wysokiej i sprawdzonej jako ci materia- u, stosownie do miejsca jego zastosowania i zwi zanych z nim warunków pracy (atmosfera, temperatura, obci enie, itd.) pozwala na jego wieloletnie u ytkowanie, bez konieczno ci wykonywania cz stych i kosztownych napraw. Podzi kowanie Serdecznie podzi kowania dla rmy Vesuvius Poland Sp. z o.o. Literatura [1] Piech J.: Wy o enia ogniotrwa e pieców i urz dze cieplnych, Kraków: Uczelniane Wydawnictwa Naukowo Dydaktyczne AGH, (1999). [2] Piech J.: Piece ceramiczne i szklarskie, AGH Kraków, (2001). [3] Nadachowski F.: Zarys technologii materia ów ogniotrwa ych, SWT Katowice, [4] Refractories A Global Strategic Business Report, Global industry analysts Inc, (2007). [5] Sindut R., Cholewa-Kowalska K., Kubala B.: Nowoczesne glinokrzemianowe materia y ogniotrwa e w przemy le szklarskim, wiat Szk a, 5, (2009). [6] Rezaie A., Headrick W. L., Fahrenholtz W. G., Moore R. E., Velez M., Davis W. A.: Refractories Applications and News, 9, 5, (2004). Otrzymano 15 lipca 2012, zaakceptowano 30 lipca 2012 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 2, (2012) 281