Огнеупорные изделия, основы получения, свойства, применение

К этому виду огнеупорных изделий  относятся:

- угольные, а также графитированные  блоки, которые производятся из  смеси кокса, термоантрацита, в  качестве связующего применяются  каменноугольная смола, битум,  антрацитовое масло. Температура  обжига таких блоков - 1100-1450°С.

- графитированные изделия, выпускаемые  из нефтяного кокса. Такие огнеупоры  имеют графитовую структуру и  низкое содержание золы. Температура  обжига 

9

таких изделий - более 2000°С.

- пирографит, который получают  в результате распада углеродосодержащего  газа на поверхности с высокой  температурой.

Углеродистые огнеупоры применяют  для футеровки нижнего строения домен, печей, электротермических печей, агрегатов для плавки свинца, меди и др., а также для изготовления погружных стаканов, стопоров-моноблоков, вкладышей для изложниц, тиглей для  плавки цветных металлов и др.

     н) Цирконистые огнеупоры – огнеупорные изделия, на основе бодделеита ZrO₂ (67,1 % ZrO2) и циркона (ZrSiO₄).

Цирконистые огнеупоры отличаются высокой огнеупорностью (до 2600°С), хорошей  стойкостью при взаимодействии с  расплавами металлов и шлаков, высокой  прочностью при 2200-2400°С и высокой  термостойкостью.

Высокоплотную керамику из ZrO₂ применяют в виде чехлов термопар, фильтров для сплавов, а также нагревательных элементов при температуpax до 2200°С в печах с резистивным и индукционным нагревом. Зернистые огнеупоры из ZrO₂ используют в устройствах для разливки стали, для футеровки агрегатов с > 1800°С, тиглей для плавки ряда металлов и сплавов. Стаканы из циркона (в т.ч. с графитом) с добавлением пластифицированного компонента используют в промежуточных ковшах при разливке стали.

     о) Бескислородные  огнеупоры – огнеупорные изделия, изготовленные из тугоплавких бескислородных соединений: карбидов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов. Технология бескислородных огнеупоров включает приготовление порошков бескислородных соединений, формование из них изделий с добавлением связки и последующий обжиг при высоких температуpax. В окислительной среде такие материалы имеют очень ограниченное применение.

10

3.4) Форма и размеры

    а) простые изделия  (прямые и клиновые нормальных, малых и общих   форматов);

    б) фасонные – простые,  сложные, особо сложные и крупноблочные  (массой > 60     кг);

    в) специальные – промышленного  и и лабораторного назначения (тигли, трубки, наконечники);

3.5) Огнеупорность

а) огнеупорные кирпичи – огнеупорность  1580-1770 °С;

б) высокоогнеупорные кирпичи –  огнеупорность 1770-2000 °С;

в) высшей огнеупорности – огнеупорность  > 2000 °С.

3.6) Способ формования

      а) пластичноформованные;

      б) плавленые литые  из расплава, получаемого обычным  путем электроплавки;

      в) литые кирпичи,  изготовленные путем литья из  жидкого шликера в      специальные формы (пеноизделия);

      г) термопластичнопрессованные, изготовленные прессованием из  шихты, в состав которой введены  термопластичные добавки (парафин,  воск и т.п.);

     д) горячепрессованные;

    е) изготовленные горячим прессованием из масс, нагретых до пластичного состояния;

     ж) пиленые из естественных горных пород или из специально изготовленных

11

блоков;

      з) волокнистые,  полученные путем расщепления  расплава струей строго перегретого  пара.

4. Взаимодействие огнеупоров с металлами.

Разрушение огнеупоров вследствие непосредственного химического взаимодействия с металлом встречается редко. Неметаллические включения в металле являются результатом чисто эрозионного действия расплавленного металла на огнеупор.

Разрушение огнеупора металлом при его внедрении в огнеупор относится к окислению металла  газовой средой и взаимодействию окалины с огнеупором.

Чтобы металл взаимодействовал с огнеупорсм, его сродство к кислороду должно быть больше, чем у компонента, находящегося в огнеупоре. Наличие в металле компонентов восстановления (углерод) приводит к восстановлению окислов огнеупора, что усиливает износ кладки. Щелочные металлы (Na, К, Li) разъедают огнеупоры.

Цветные металлы также сильнее взаимодействуют с огнеупорами по сравнению с черными металлами. Пары Zn проникают в поры огнеупора, окисляются, увеличиваются в объеме и разрушают огнеупорную кладку. Большинство огнеупоров не смачиваются жидкими металлами. Это устраняет возможность их физико-химического взаимодействия. Тугоплавкие Zr, Ti также взаимодействуют с огнеупорами.

5. Шамотные изделия.

Сырьем для изготовления шамотных огнеупорных изделий являются oгнеупорная глина и каолин. Из этой массы формуют изделия, которые затем cyшат и обжигают при температуре свыше 1200 -1400°С. 

12

Огнеупорная глина и каолин состоят в основном из кремнезема и глинозема. Чем выше содержание глинозема, тем выше огнеупорность глины и каолина. Каолин имеет огнеупорность 1600 - 1770 °С и объемную массу 1600 кг/м3. 

В зависимости от огнеупорности изделия подразделяют на марки: 

ША - с огнеупорност ью не ниже 1730 °С; 

ШБ - с огнеупорностью не ниже 1670 °С; 

ШВ - с огнеупорностью не ниже 1580 °С;

ШУС - с огнеупорностью не ниже 1580 °С; (для тепловых агрегатов с умеренными температурными условиями эксплуатации). 

Усадка изделий составляет не более 0,7 %. Предел прочности при сжатии 125-200 кгс/см2. 

Шамот - это нейтральный материал, хорошо противостоящий воздействию шлаков. Объемная масса шамотных изделий 1800 - 1900 кг/м3. Начало деформации под нагрузкой происходит при температуре 1150 — 1400°С. Шамотные огнеупорные изделия применяют в кладке, рассчитанной на рабочую температуру не выше 1500 °С. По ГОСТ 8691 - 51 шамотные изделия поставляются в виде кирпича прямого, прямого полуторного, клина торцевого, кирпича радиального, лещади и др.

Основные примеси в глинах и каолинах: свободный кремнезем, глинозем, щелочные и щелочноземельные оксиды, соединения железа, титана, органические примеси. Неорганические примеси снижают огнеупорность глин и каолинов, поэтому их называют плавнями. Количество примесей обычно не превышает 6-7%. Наиболее вредными являются пирит и марказит.

Каолиновые изделия - каолинит. Каолины содержат меньше примесей, чем глины. Они поддаются обогащению и являются лучшим сырьем, чем глины. Каолины используются для получения более качественных изделий.

6. Свойства огнеупорных глин.

Сырьем для алюмосиликатных изделий являются огнеупорные глины. Которые состоят из 25-35% Аl₂0₃ и 50-70% SiO₂ . Огнеупорность глин определяется содержанием в них каолина Al₂0₃-2Si0₂-2H₂0.

Примеси глины: кварц, глинозем, окислы щелочных металлов, окислы железа,

13

остатки органических примесей. Примеси - плавни понижают огнеупорпость.

Глины состоят из мельчайших частиц, близких к коллоидным - этим объясняется пластичность и адсорбционная способность глин.

Содержание гигроскопической влаги от 1-2% до 20%. При увеличении влажности до определенного предела адсорбционная способность глин увеличивается, при чрезмерной влажности пластичность теряется и глины становятся пульпообразными.

При сушке глин при 110°С до полной потери воды затворения они теряют пластичность, сохраняя свою форму, и приобретают некоторую хрупкость.

При добавке воды к высушенной глине она снова затворяется, приобретая пластичность. При прокаливании глин до 500 - 800 °С глина полностью теряет пластичность, которая не восстанавливается при добавлении воды.

Обожженный материал становится тощим и теряет связывающую способность, т.е. способность связывать непластичные тощие материалы в общую однородную массу, пригодную для формовки и прессования огнеупорных изделий.

При обжиге глин происходит разрушение гидратов, т.е. удаление кристаллизационной воды и совершается процесс спекания частиц.

При нагревании глины до 1360 - 1400 °С она размягчается, происходит плавление примесей, которые, переходя в капельножидкое состояние, служат связывающей частиц глины, происходит уплотнение (уменьшение объема, усадка), масса цементируется в черепок.

Обожженная глина, утрачивающая пластичность и способность формироваться, называется шамотом.

Шамот является основным сырьем для производства огнеупорных шамотных изделий.

Характерными свойствами глин и каолинов являются пластичность, связующая способность и спекаемость. Наличие в каолинах кристаллизационной воды приводит к образованию при их обжиге усадочных трещин. В связи с этим при изготовлении изделий необходимо применять отощители, в качестве которых используют обожженную огнеупорную глину - шамот. Глины, высушенные при температуре 110 °С, теряют пластичность, но при добавлении воды они опять

14

становятся пластичными. При нагреве до 450 -600 °С удаляются химически связанная вода, при этом каолин необратимо теряет пластичность (шамот). При дальнейшем нагреве до 1200 °С образуется муллит 3Al₂0₃-2Si0₂. Выдержки при этой температуре способствует росту кристаллов муллита. Одновременно с муллитом образуются кристобалит, аморфная часть и жидкая фаза. Количество последней связано с содержанием щелочей в исходном сырье.

Шамотные изделия применяют также для футеровки стен и сводов нагревательных колодцев, где они служат в течение 2-3 лет. Для футеровки нагревательных печей из-за возможного контакта с окалиной шамот применять нельзя.

Термические печи могут быть целиком выполнены из шамота и работать без ремонта от 5 до 15 лет. Печи для нагрева меди и ее сплавов работают при температуре 700 - 900 °С, а для нагрева сплавов на основе алюминия и магния при температуре от 100 до 600°С. Нагрев при термообработке часто ведется в защитной атмосфере. Поэтому для нагревательных печей цветной металлургии требуются огнеупоры с малой газопроницаемостью, достаточно огнеупорные и термостойкие. Этим требованиям вполне отвечает обычный шамот или шамот повышенного качества (каолиновый высокоглиноземистый или многошамотные огнеупоры). Шамотные изделия широко применяют для футеровки паровых котлов дымоходов и за рабочим слоем футеровки различных плавильных печей.

7. Кремнеземистые огнеупорные изделия.

К кремнеземистым изделиям относится динас (SiO₂>93%) и кварцевые изделия (Si0₂>85%).

Кварцевое стекло является огнеупором, который применяется в лабораторной практике. Получают при дуговой плавке чистых кремнеземистых пород. Обладает высокой прозрачностью, нулевой газопроницаемостью, большой термической стойкостью.

Динас - это огнеупорный кирпич, изготовленный способом формировки и обжига измельченного кварца, кварцитов или песчаников, которые содержат 90-98 % Si0₂.

В качестве связующих применяют известковое молоко или глину. Особое значение имеет зернистость массы, от которой зависит плотность кирпича, прочность и термостойкость при обжиге.

Сырьем для изготовления динаса служит чистый кварц, содержащий > 95% SiO₂ и

15

1.5 - 2.0 % извести. Известны восемь модификаций кремнезема, из которых одна аморфная - кварцевое стекло и 7 кристаллических: альфа- и бета – кварц , альфа – и бета-  и гамма - тридимит, альфа- и бета - кристобалит. В природе кремнезем находится в виде бета - кварца и привести его полностью в иную модификацию не удается. Переход из одной модификации в другую, совершаемый при изменении температуры и присутствии жидкой фазы, сопровождается изменением удельного объема и вызывает внутренние напряжение, могущие привести к разрушению изделия. Поэтому при производстве динаса необходимо считаться со свойствами SiO₂.

7.1. Свойства и служба кремнеземистых огнеупорных изделий.

Свойства и служба. Огнеупорность 1700 - 1730 °С, т.е. сравнительно невысокая, однако динас выдерживает большие механические нагрузки до температур близких к его огнеупорности. В связи с этим температура начала деформации динаса высокая. Тн.р.=1650 °С. Следует иметь в виду, что после начала деформации динас очень быстро дает усадку и достигает конца деформа (Тк. р=1670°С). Термостойкость динаса низкая - 1 - 2 водяных теплосмены. При высоких температурах (Т > 1760°С) динас значительно лучше противостоит резким изменениям температуры, в связи, с чем не следует динасовую кладку делать с искусственным охлаждением, а при остановке на ремонт охлаждение кладки надо производить медленно.

Для динаса характерна хорошая стойкость по отношению к кислым шлакам (при Ca0/Si0₂<0.54). Оксиды железа, меди, свинца и других металлов взаимодействуют с кремнеземом динаса и образуют легкоплавкие силикаты, что приводит к быстрому оплавлению огнеупора. Изве рода кре зем при температуре 1200 °С и выше переходит в кристобалит, что сопров сть, щелочи и их пары также образуют с кремнеземом легкоплавкие соединения, в результате разрушение динаса начинается при температуре 1000 °С. В среде водорода кремнезем при температуре 1200 и выше переходит в кристобалит, что сопровождается нарушением прочности изделия.

При нагревании или охлаждении объем динасовых изделий изменяется, что связано с термическим расширением и полиморфными превращениями кремнезема. Расширение может иметь и необратимый характер, что зависит от тридимитизации динаса в процессе его обжига. Поведение динаса при службе в значительной степени связано с его ростом. Суммарное расширение динаса при

16

нагревании до 1500 °С не должно превышать 1 — 1,5 %, а дополнительный рост 0,3 - 0,4 %. Рост объема динаса способствует уплотнению швов и, следовательно, повышению прочности и плотности кладки.

Стойкость динаса к структурному растрескиванию при насыщении кислыми шлаками и механическая прочность при высоких температурах хорошие и , как правило, не являются причиной его разрушения.