книги из ГПНТБ / Чернявский И.Я. Износоустойчивые металлошлаковые трубы

■

И.Я. ЧЕРНЯВСКИЙ

С.Н. МИЛЛЕР

В. Ф. ТУМАШОВ

ИЗНОСОУСТОЙЧИВЫЕ

МЕТАЛЛОШЛАКОВЫЕ

ТРУБЫ

'.162.144

Чернявский И. Я., Миллер С. Н., Тумашов В. Ф. Износоустой­ чивые металлошлаковые трубы. М., СтроГшздат, 1973. 143 с. (УралНИИСтромпроект).

В книге освещены современные представления об основных фи­ зико-химических, литейных и физико-механических свойствах шлако­ вых расплавов в процессе их затвердевания; описаны разработанные авторами оригинальные методики и аппаратура для изучения этих свойств.

Подробно освещены основные закономерности футеровки труб шлаковыми расплавами центробежным способом и намораживанием; рассмотрены особенности технологии их изготовления, конструкции элементов трубопровода, способов их стыкования и монтажа в тру­ бопровод; приведены основные эксплуатационные характеристики металлошлаковых труб.

Книга предназначена для инженерно-технических и научных ра­ ботников, занятых переработкой шлаков, получением литых изделий на базе оксидных расплавов, работников горнорудной металлургиче­ ской и других отраслей промышленности, связанных с эксплуатацией трубопроводов в условиях повышенного износа; может быть полезна аспирантам и студентам вузов соответствующих специальностей.

Табл. 10, ил. 77, список лит.: 164 назв.

(Q)уральский научно-исследовательский

w и проектный институт строительных материалов

(УРАЛНПИСТРОМПРОЕКТ), 1973.

0329—494

Ззк. нзд.

047(0І)—73

УРАЛНПИСТРОМПРОЕКТ

ИСААК ЯКОВЛЕВИЧ ЧЕРНЯВСКИЙ. СОФЬЯ НАУМОВНА МИЛЛЕР. ВЛАДИМИР ФЕДОРОВИЧ ТУМАШОВ

ИЗНОСОУСТОЙЧИВЫЕ МЕТАЛЛОШЛАКОВЫЕ ТРУБЫ

Редактор издательства 3. К• Косякина. Технический редактор Т. В. Кузнецова. Корректор Л. П. Бирюкова.

Сдано в набор 24. V. 1972 г. Подписано к печати 20. III 1973 г. Т04638. Формат 84Х1087аэ д. л. Бумага типографская № 2. 7,56 уел. печ. л. (уч.-нзд. 8,0 л.).

Тираж 500 экз. Нзд. № XX—3513. Зак. 2160. Цена 40 к.

Стройиздат 103777. Москва, Кузнецкий мост, 9.

Областная типография Челябинского областного управления издательств, полиграфии и книжной торговли, г. Челябинск, ул. Творческая, 127.

В В Е Д Е Н И Е

Транспортирование материалов по трубопроводам нашло широкое применение в самых разнообразных от­ раслях промышленности: строительных материалов, гор­ нодобывающей, металлургической, химической, энергети­ ческой и др. Трубопроводы используются для транспор­ тирования сырых материалов, полуфабрикатов, готовой продукции. Это обусловлено прежде всего экономично­ стью, надежностью и высокой производительностью это­ го вида транспорта, а также отсутствием при его ис­ пользовании балластного груза в виде тары и исключе­ нием обратных, холостых рейсов.

Вместе с тем опыт эксплуатации магистральных тру­ бопроводов показал, что металлические трубы в услови­ ях транспортирования абразивных материалов быстро изнашиваются и выходят из строя. Это обстоятельство в немалой степени удерживает проектировщиков от бо­ лее широкого внедрения этого дешевого вида транспор­ та даже там, где он стал бы значительно эффективнее транспорта колесного.

Износ труб зависит от вида и скорости движения пе­ ремещаемого материала и его концентрации и, разуме­ ется, от действия коррозии. При перемещении глинистых и песчанистых материалов он сравнительно невысок. Трубы со стенкой толщиной 8 мм и более и внутренним диаметром 200 мм при трехкратном поворачивании спо­ собны пропустить до 5 • ІО5 м3 породы, при диаметре 300 и 400мм — соответственно до 1 • 106 и 2 • 10елЛ.Дол­ говечность фасонных частей трубопроводов (особенно ко­ лен и отводов) примерно на 30% меньше [1]. Срок служ­ бы труб диаметром 350—450 мм на песчаных породах, регулярно поворачиваемых на 120° через каждые 3 мес., около 2 лет.

При перемещении кусковых насыпных материалов износ труб значительно больше (особенно при повышен­ ных скоростях движения гидросмеси) — до 4,5—5 м/сек. При кусковых материалах при крупнозернистой фракции срок службы труб не превышает в среднем 70% срока службы труб, перемещающих мелкофракционные мате­ риалы. При перемещении дробленых горных пород (фракция 60 мм) в виде песчанисто-глинистых сланцев стальные трубы диаметром 150 мм со стенками толщи­ ной 9 мм при двукратном поворачивании по оси на 120°

полностью выходят из строя после пропуска 30— 40 тыс. м3 породы. Металлические трубопроводы, по ко­ торым с угольных электростанций удаляется зола, выхо­ дят из строя самое большее через 2—3 года [2].

Из сказанного видно, какое большое значение приоб­ ретает в настоящее время проблема защиты трубопрово­ дов от износа, связанная с рациональным и эконом­ ным расходованием металлов в промышленности.

Важная народнохозяйственная задача — экономия металлических труб — может решаться различными спо­ собами. Например, с целью уменьшения износа конце­ вых участков труб внутренняя поверхность их наплавля­ ется электродами (Т-590 и др.) на длину 30—50 мм, в результате чего износоустойчивость повышается на 30— 40%. Наплавка электродами внутренней поверхности сварных колен позволяет увеличить срок их службы в 3—4 раза. Для равномерного износа при транспортиро­ вании кусковых материалов трубы периодически (после перемещения 4—5 тыс. лі3 породы) поворачивают на 90°. Срок их службы при этом увеличивается вдвое [1]. Из зарубежной практики повышения долговечности труб заслуживает внимания закалка их внутренней поверх­ ности токами высокой частоты [3]. Хорошие результаты дает использование труб из термически обработанного стекла и специальных закруглений, армированных твер­ дыми сплавами и резиной [3, 1]. Для армирования за­ круглений широко применяют также вкладыши из высо­ копрочных сортов стали (марганцевистой, хромистой). Такие закругления с вкладышами толщиной 75 мм до полного износа пропускают около 15—20 тыс. м3 поро­ ды. Колена, выполненные из толстостенных труб, уси­ ленные наплавкой электродами, пропускают до 3— 7 тыс. м3 породы [4].

Все описанные способы удлинения срока службы тру­ бопроводов связаны с использованием дорогостоящих металлов. Поэтому за последние 10—15 лет широкое распространение получила футеровка металлических труб каменным и шлаковым литьем.

Эффективность применения трубопроводов, футеро­ ванных каменными и шлаковыми материалами для сис­ тем транспортирования абразивных материалов, обу­ словливается комплексом их ценных качеств, установ­ ленных как зарубежным, так и отечественным опытом [5, 6, 7]. Срок службы магистральных трубопроводов,

армированных базальтовыми вкладышами на шахтах при транспортировании дробленых горных пород, уве­ личивается в несколько раз. Пропускная способность стальных труб, футерованных базальтом, увеличивается с 10—30 тыс. до 200—800 тыс. м3 породы [1]. По дан­ ным института «Теплопроект» при гидротранопортировании золы и шлака крупностью 0—50 мм абсолютный износ труб диаметром 200—400 мм, футерованных раз­ личными материалами, при перемещении 500 тыс. т в год шлака для футеровки из стали марок Ст.5 и Ст.20 составил 7 мм, из базальта — 1 мм, из железобетона — 17 мм, из цемента— 11 мм [8].

Высокая экономическая эффективность использова­ ния кампелнтых труб подтверждается также данными исследования трубопроводов на обогатительных фабри­ ках в Донецке [9]. По данным Мосэнерго, оснащение металлических труб каменными вкладышами в водопро­ водах ежегодно экономит 3000 руб. на 1 км труб (без учета ремонтных работ).'

Таким образом, применение каменного литья удлиня­ ет срок службы трубопроводов, увеличивает межремонт­ ные периоды, а также сокращает затраты на монтажные работы.

На Норильском горнометаллургическом комбинате построен цех каменного литья для изготовления футе­ ровки. Такой же цех имеется на Зыряновском свинцово­ цинковом комбинате. Футеровки из базальтовых труб применяют на Южном и Ново-Криворожском горно-обо­ гатительных комбинатах и др. [8].

Но механическая прочность камнелитых труб низка, il их необходимо защищать от различных механических повреждений. Как правило, такие трубы либо монтиру­ ются в виде отдельных вкладышей в сварные металли­ ческие кожухи, либо отливаются в стальную заготовку [5, 8]. При этом расходуется дефицитный прокат и тре­ буются значительные дополнительные мощности для сборки труб. Так, в Чехословакии, например, имеется два завода: один изготовляет вкладыши, другой соби­ рает трубы в отдельные секции. Отрицательным при ис­ пользовании каменного литья является довольно дли­ тельный цикл производства одного вкладыша — в сред­ нем 16—24 ч.

С учетом добычи сырья и последующих технологиче­ ских операций (без затрат на монтаж вкладышей в ме­

таллический ксжух) стоимость камнелитых вкладышей еще достаточно высока — 150 рг/б/'г [10].

Несмотря на это, применение камнелитых вкладышей весьма эффективно. Еще больший эффект, особенно в металлургических районах, получается при использова­ нии труб, футерованных шлаком. Об этом свидетельст­ вует, например, опыт Мансфельдского медеплавильного завода в ГДР [11].

Шлаки, являющиеся побочным продуктом металлур­ гических предприятий, не уступают плавленому камню по абразивоустойчивости и в то же время, находясь в жидком состоянии, не требуют затрат на добычу, дроб­ ление или переплавление. В этом их большое преиму­ щество перед каменным литьем. Однако до недавних пор вследствие неизученное™ ряда физико-химических, физико-механических и технологических свойств шлако­ вые расплавы довольно робко использовали для литья труб.

Многолетние исследования, проводящиеся в УралНИИСтромпроекте, позволили на основании изучения свойств ряда доменных шлаков и шлаков цветной метал­ лургии разработать технологию получения труб, колен и других элементов трубопроводов, в значительной мере лишенных тех недостатков, которые присущи камнели­ тым вкладышам.

Целью данной книги является познакомить читате­ лей с основными свойствами шлаков Магнитогорского металлургического и Балхашского горно-металлургиче­ ского комбинатов, технологией изготовления из них ме­ таллошлаковых труб и определением основных парамет­ ров этой технологии, а также с эксплуатационными ха­ рактеристиками труб при транспортировании различных материалов.

ГЛАВА 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОШЛАКОВЫХ ТРУБ

Согласно представлениям, развиваемым за последнее время многими исследователями [12—17], шлаковые расплавы являются ионными жидкостями. В жидких шлаках своеобразно сочетаются особенности полупро­ водников, полимеров и ионных жидкостей [18].

Вязкость шлаков

Одним из наиболее существенных свойств шлаковых расплавов, как и любой жидкости, является вязкость.

Методика измерения вязкости

Для измерения вязкости силикатов, в том числе шла­ ков (доменных и цветной металлургии), наибольшее распространение получили ротационные вискозиметры [19—21]. В последнее время стали применять различ­ ные типы вибрационных вискозиметров [22—24]. Реже используются вискозиметры капиллярные, основанные на определении скорости истечения жидкости через ка­ либрованное отверстие [25], и др.

Ротационные и вибрационные вискозиметры имеют свои преимущества и недостатки. Вибрационный виско­ зиметр, как правило, более компактен, требует для оп­ ределения вязкости меньшего количества исследуемого вещества (до нескольких граммов); применение элект­ ромагнитных и электронных схем позволяет автоматн-

Рис. 1. Схема измерительного узла вискозиметра ОРГРЭС:

1 — тигель; 2 — цилиндр; 3 — осветитель; 4 — зеркало; 5 — шкала; 6 — нить подвески; 7 — электродвигатель

расплавов и металлургических шлаков в нужном интервале температур. Кроме того, вследствие сложной зависимости, связывающей регистрируемые электрические параметры с вязкостью расплава, вибра­ ционные вискозиметры используются как относительные, требуют градуировки и постоянного контроля по жид­ кости с известной вязкостью.

Для ротационных вискозиметров надо несколько больше исследуемого вещества, что увеличивает мощ­ ность нагревательных печей и время определения. Боль­ шинство вискозиметров этого типа также применяется как относительное и градуируется по жидкости с извест­ ной вязкостью. Однако принцип регистрации вязкости проще. Для тел вращения цилиндрической и сфериче­ ской формы имеются расчетные формулы, позволяющие использовать ротационные вискозиметры как абсолют­ ные.

Некоторые типы ротационных вискозиметров позво­ ляют измерять вязкость расплавов в интервале 0,1— ІО3 н - сек/м2. Подобный вискозиметр конструкции ОРГРЭС (рис. 1) приемлем для целей шлакопереработ­ ки [26].

Принцип работы этого вискозиметра — измерение возникающего за счет вязкости момента сил, передавае­ мого с вращающегося с постоянной скоростью тигля со шлаком 1 на погруженный в него внутренний цилиндр 2 меньших размеров. Момент сил вызывает закручивание стальной нити 6 с подвешенным внутренним цилиндром на определенный угол ср, отсчитываемый по шкале 5 с помощью светового «зайчика» от закрепленного на нити

зеркальца 4. Луч света на зеркальце падает от освети­ теля 3. Вязкость г| рассчитывали по формуле

кой. В общем случае k является функцией геометриче­ ских размеров цилиндров, длины и диаметра нити, ско­ рости вращения тигля. За редким исключением, которое в каждом отдельном случае оговаривалось, вязкость шлаков измеряли на вискозиметре типа ОРГРЭС.

Температурная зависимость вязкости

Многочисленные исследования показывают, что вяз­ кость шлаков в значительной мере зависит от темпера­ туры, и эта зависимость выражается в большинстве слу­ чаев в экспоненциальной форме. Так, М. П. Воларович [27] приводит свыше 25 видов экспоненциальных фор­ мул т) (Т) различных исследователей.

Наибольшее распространение получило экспоненци­ альное уравнение, предложенное Я. И. Френкелем [28]:

и

( 1.2)

7) = AeRr ,

где А — постоянная; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

Величину U рассматривают как энергию активации вязкого течения, т. е. энергию, которую необходимо за­ пасти данной частице за счет напряжений сдвига для того, чтобы она могла переместиться в новое положение равновесия, преодолев потенциальный барьер поля со­ седних частиц.

Близка к многим опытным данным формула К. С. Евстропьева [29], хорошо зарекомендовавшая себя для

некоторых стекол:

в

(1.3)

'П Ае<2

где А и В — постоянные; Т — температура.

По некоторым литературным данным [30, 31], эти уравнения не всегда хорошо согласуются с опытом. По­ скольку это имеет очень важное значение для определе­ ния технологических параметров литья изделий из шла­ ков и связанных с этим расчетов, нами была исследова­ на вязкость шлаков, составы которых приведены в