Раздел 3. Огнеупорные материалы и изделия

Тема 3.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

 

ОГНЕУПОРАМИ называются строительные материалы, служащие для сооружения тепловых агрегатов и способные противостоять действию высоких температур (не ниже 1580°С), а так же физическим и физико-химическим процессам, происходящим в тепловых агрегатах при высоких температурах.

Классификация:

1. по химико-минералогическому составу:

1.1. кремнеземистые (динасовые – более 92% SiO₂);

1.2. алюмосиликатные (шамот – до 45% Al₂O₃);

1.3. магнезиальные (изготавливают из минерала, содержащего магнезит);

1.4. хромистые;

1.5. углеродистые (графитовые, коксовые, …);

1.6. цирконестые;

1.7. окисные (окиси бериллия, тория, церия);

1.8. карбидные и нитридные.

2. по степени огнеупорности:

2.1. огнеупорные (t = 1580¸1750°С);

2.2. высокоогнеупорные (t = 1770¸2000°С);

2.3. высшей степени огнеупорности (выше 2000°С).

3. по термической обработке:

3.1. обжиговые;

3.2. безобжиговые;

3.3. литые, плавленые.

4. по способу изготовления:

4.1. формованные;

4.2. неформованные;

4.3. огнеупорные растворы.

5. по сложности формы и размерам:

5.1. нормальный кирпич;

5.2. фасонные изделия;

5.3. крупные блоки;

5.4. специальные изделия (тигли, трубки, …).

 

Тема 3.1.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОГНЕУПОРНОГО МАТЕРИАЛА

1. ОГНЕУПОРНОСТЬ – это свойство материалов противостоять действию высоких температур.

Наиболее распространенным методом определения огнеупорности является стандартный метод, согласно которому из огнеупорного материала, подлежащего испытанию, следует изготовить усеченные трехгранные пирамидки (пироскопы), высотой до 6см, изготовленные образцы высушиваются и устанавливаются на огнеупорную подставку вместе со стандартными пироскопами определенной огнеупорности. Подставка вместе с пироскопами помещается в электрическую печь. Огнеупорность материала обозначается номером того пироскопа, с которым образец упал одновременно.

Маркировка: температура падения – 10.

ПК173 – пироскоп керамический с огнеупорностью 1730°С.

2. ДЕФОМАЦИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРОЙ. Находясь в кладке, огнеупорные материалы подвергают различным механическим воздействиям: сжатию, растяжению, изгибу, истиранию. Чаще всего, огнеупоры в условиях службы испытывают нагрузку - сжатие. Их прочность на сжатие определяют в холодное состоянии и при высоких температурах. При испытании пользуются стандартным образцом: d = 36мм, h = 50мм; помещенным в криптолитовую печь. По стандарту удельную нагрузку принимают равной 19,6 Н/см². Нагрев ведут постепенно (до 800°С n = 10°/мин, свыше 800°С n = 4¸5°/мин). В процессе нагревания по дилатометру наблюдают сжатие образца и строят диаграмму. Температуру, при которой отмечается четырех процентная усадка, считают температурой начала размягчения (начало деформации), а температуру, при которой происходит сорока процентная усадка – температурой конца размягчения.

3.   ПОСТОЯНСТВО ФОРМЫ И ОБЪЕМА. При нагревании и охлаждении в результате термических разложений и усадок огнеупор может изменять свою форму и размеры. Большим непостоянством размеров отличается динос, более постоянные по размерам – углеродистые огнеупоры. Каждый огнеупорный материал характеризуется значением линейного расширения. При кладке печи и свода иногда делают температурные швы. Их делают из дерева на определенных промежутках. Испытания проводят на образцах при нагревании, оценивается изменение объема.

4. ТЕРМОСТОЙКОСТЬ – проявляется в способности материала не разрушаясь выдерживать резкие изменения температуры. Обычно термостойкость определяется методом сравнения, основанном на чередующихся нагреве и охлаждении (1 цикл – теплосмена). Термическая стойкость оценивается количеством выдержанных теплосмен. Метод заключается в том, что кирпич торцевой стороной укладывается в электрическую печь сопротивления и нагревается до 850°С в течение 40 минут. Затем охлаждают в течение 8¸15 минут (воздух, вода). И так до тех пор, пока потеря массы не составит 20% (из отколовшихся кусков).

5. ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ. Огнеупоры при работе в печи должны обладать химической стойкостью. В печах образуются различные агрессивные среды, к которым относятся газы, расплавленные материалы. Сильное разрушающее действие на кладку оказывают шлаки. По отношению к действию шлаков, огнеупоры делятся на:

a) кислые (динос);

b) основные (шамот);

c) нейтральные (хромистый железняк).

Кислые огнеупоры стойки к кислым шлакам.

6. ШЛАКОУСТОЙЧИВОСТЬ определяется двумя способами: статическим и динамическим.

  При статическом способе в огнеупоре высверливается отверстие, в которое засыпается молотый шлам, затем огнеупор устанавливают в печь и подогревают (не менее 1450°С и выдерживают 3¸4 часа). После испытания кирпич разрезают и визуально определяют глубину проникновения шлака в материал.

При динамическом способе на помещенный в печь огнеупор капают расплавленным шламом в течение ограниченного времени, а затем разрезают и устанавливают его шлакоустойчивость.

7. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. В зависимости от условий работы, огнеупоры могут обладать большей или меньшей теплопроводностью. Чем выше пористость огнеупора, тем ниже его теплопроводность (до 800¸900°С).

8. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ – имеет значение при футеровке электрических печей. При нормальных условиях все огнеупоры хорошие диэлектрики. При высоких температурах их электропроводность быстро возрастает. Хорошей электропроводностью обладают углеродистые огнеупоры, остальные – плохо.

9. ПОРИСТОСТЬ – ее обладают все огнеупоры. Различают пористость:

1) открытую (есть сообщение с атмосферой) – на основе данных измерения водопоглащения;

2) закрытую (нет выхода наружу);

3) истинная (суммарная, общая).

10.   ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ. С повышением температур газопроницаемость понижается → объем газа возрастает и увеличивается его вязкость. Наибольшая газопроницаемость у шамота, наименьшая у диноса.

Тема 3.1.3. ПРИНЦИП ВЫБОРА ОГНЕУПОРОВ

 

Для стенок и свода огнеупор должен обладать высокой механической прочностью. Для откосов печи применяют огнеупоры стойкие к действию шлаков.

В изломе хороший огнеупор имеет однородное строению, все огнеупоры делятся на сорта по стандарту. Сорт учитывает все отклонения от нормы (размеры, отбитость углов, кривизна, трещины, притупленность ребер и другое).

При выборе огнеупорного материала учитывают иго стоимость (наиболее дорогие – высокоглиноземистые, дешевые – шамот).

Транспортировка должна обеспечивать сохранность огнеупоров (предпочтительнее укладывать рядами с расклиниванием между рядов – стружка, солома, пенопласт), а лучший способ – перевозка в контейнерах. Склады должны быть закрытыми.

 

Тема 3.2. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ОГНЕУПОРОВ

Тема 3.2.1. ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ОГНЕУПОРОВ

 

Производство огнеупоров складывается из следующих процессов:

1) ОБРАБОТКА СЫРЬЯ – которая может включать обогащение, дробление, помол, предварительную сушку или обжиг или последовательно все эти стадии.

2) ПРИГОТОВЛЕНИЕ ФОРМОВОЧНОЙ МАССЫ – заключается в смешивании огнеупорного сырья со связующими (клеящими) веществами с целью получения плотной массы, удобной для формования кирпича-сырца (огнеупорная глина – шамот, остальное сырье со связующим).

3) ФОРМОВАНИЕ – выполняется на специальных формовочных прессах. Изделия сложной формы – вручную трамбуются, для каждого случая выбирают оптимальное прессовое давление (может быть расслаивание Þ брак).

4) СУШКА КИРПИЧА-СЫРЦА. С уменьшением влаги механическая прочность сырца повышается, но вместе с тем повышается и его хрупкость. Поэтому при сушке в сырце оставляют часть влаги, чтобы избежать отбитости углов и ребер кирпича при его транспортировке.

5) ОБЖИГ является самой главной операцией в технологическом процессе изготовления огнеупоров. Изделия обжигают в специальных обжиговых печах при строго ограниченных температурах. Сначала удаляется оставшаяся влага, затем начиная с 200°С начинают разлагаться карбонаты и гидраты. При температуре выше 800°С в массе появляется жидкая фаза и начинается процесс перекристаллизации.

В результате обжига образуется кристаллический сросток огнеупорного компонента, придающий изделию механическую прочность при высоких температурах.