Рабочие свойства огнеупоров и их контроль

 

Самым важным свойством огнеупоров является их стойкость по отношению к высоким температурам про­цесса, которая определяется сохранением первоначаль­ного физического состояния и формы. Это свойство ог­неупоров обусловливает устойчивость строительных элементов печных сооружений при высоких температу­рах. Пределом огнеупорности керамических изделий яв­ляется переход изделия в размягченное состояние, ког­да оно начинает деформироваться. Большинство огне­упорных изделий не имеет резкой точки перехода из твер­дого состояния в жидкое, как это имеет место у ме­таллов.

Особенностью огнеупорных изделий является наличие температурного интервала размягчения.

Термическая стойкость огнеупоров (термостойкость). В кладке печей огнеупоры часто подвергаются дейст­вию переменных температур, особенно в печах с периоди­ческим режимом работы, где изменение температуры ча­сто достигает очень больших значений. Подобные коле­бания температур в печах вызывают изменения структуры огнеупоров, приводящие к разрушению футеровки печей.

Термостойкостью называется способность огнеупор­ных изделий выдерживать резкие колебания температур не растрескиваясь и не разрушаясь. Термическая стой­кость огнеупоров зависит от их природы и определяется физикомеханическими свойствами материалов: модулем упругости, теплопроводностью, теплоемкостью ностыо.

Эти факторы определяют ско­рость распространения температуры и быстроту ее выравнивания в огнеупоре и следовательно величину межкристаллических напряжений.

При внезапном нагревании в огнеупоре появляются значительные напряжения. Это объясняется тем, что при плохой теплопроводности и значительной теплоемкости огнеупора его прогрев протекает весь­ма медленно. Поэтому напряжения, возникшие на границах двух разно-температурных слоев, являются причиной механического разрушения огнеупора. Из рис. 180 видно, что нагревае­мая сторона огнеупора расширяется, а холодная стремит­ся сохранить свое первоначальное состояние.

Термостойкость огнеупорных изделий проверяют сле­дующим способом. Испытуемые образцы огнеупоров предварительно взвешивают, а затем торцевыми концами помещают в печь на глубину 50 мм, остальная часть из­делия находится вне печи; образцы нагревают до 850° С и выдерживают при данной температуре 40 мин. После этого их извлекают из печи и немедленно горячими кон­цами ставят на торец в бак с проточной водой на глубину 50 мм. В воде образцы выдерживают 3 мин, затем извле­кают и устанавливают на холодные противоположные торцы на стол для воздушной отпарки на 7 мин. Такой цикл, состоящий из трех операций, называется водяной теплосменой. После каждой теплосмены образец взвеши­вают. Испытания продолжают до потерь образцом 20% от первоначальной массы. После чего испытания закан­чивают; число водяных теплосмен, вызвавших разруше­ние изделия и потерю массы, равную 20%, характеризует его термостойкость в водяных теплосменах.

 

Название огнеупора Число водяных теплосхем

Динасовые. 1—3

Полукислые 4—15

Шамотные 10—25

Многошамотпые 40—70

Шамотный огнеупорный лег­ковес 7—12

Хромитовые 3—5

Хромомагнезитовые 5—12

Термостойкий хромомагнезит 40—60

Высокоплотные магнезитовые 10—16

Магнезитовые 2—5

Карборундовые па глинистой

Связке 25—60

Цирконовые 10—17

 

Некоторые огнеупорные изделия, например, легковес­ные и магнезитовые подвергают испытаниям на термо­стойкость в воздушных теплосменах. В этом случае кир­пичи, закладывают в подвижную раму и подвергают од­ностороннему нагреву в стене печи и искусственному охлаждению дутьем. Вначале рама с кирпичом служит стеной печи, нагреваемой до 1500-1600° С, а затем ее передвигают для охлаждения к вентилятору. После ряда таких повторных нагревов и охлаждений термическую стойкость испытанных изделий оценивают по суммарной потере их массы.

Ниже представлена термическая устойчивость огне­упорных изделий в водяных теплосменах.

Испытание огнеупоров на сопротивление деформации при высоких температурах Для данных испытаний приготовляют из огнеупора образец в форме цилиндра высотой 50 мм, диаметром 35,7 мм, с площадью основания 10 см². Этот образец помещают в печь и при нагревании подвергают ис­пытанию давлением. Величина нагрузки должна состав­лять 0,19 МН/м² (2 кгс/см²) поперечного сечения для об­разца в первоначальном состоянии.

При испытании скорость подъема температуры до 800° С не должна превышать 10 град/мин, а свыше 800° С должна быть от 4 до 5 град/мин.

При испытаниях устанавливают температуру начала деформации образца и температуру, при которой сжатие огнеупора достигает 40% первоначальной высоты об­разца.

Испытанием огнеупоров на сопротивление сжатию при высоких температурах устанавливают механическую прочность огнеупоров, т. е. их рабочие свойства, табл. 4.

 

Таблица 4 Рабочие свойства огнеупоров

Огнеупоры	Объемная масса, кг/м^3	Кажущаяся пористость, %	Временное сопротив-ле­ние сжатию, МН/м^2	Температура начала де­формации под наг-руз­кой 0.19. МН/м^2, °С	Огнеупор­ность, ^оС	Термостойкость в водяных теплосме-нах
Динас		23-25	20,6-22,07			1-3
Магнезит	2700 3040	22-27	49,0-137,1	1360- 1700		2-3
Хромомагнезит термостойкий		18-24	39,24		1800 - 1950
Шамот		15-32	9,81- 39,2	1175- 1425	1580 - 1700	10-25
Муллитовый Ереванского за­вода		1,0	301,65465,97			-
Высокоглино- земистый, мул лито-корундовый Подольско­го завода		15,2	68,9		1820- 1850

 

Временное сопротивление сжатию при обычной тем­пературе считается одним из важных показателей каче­ства огнеупоров.

Временное сопротивление сжатию. Временное сопротивление огнеупоров сжатию зави­сит от структуры изделия, однородности огнеупора, кон­такта между отощающим и связующим компонентами огнеупорной массы.

В печных устройствах огнеупоры подвергаются весьма малым сжимающим давлениям, которые значительно меньше давлений при испытании на прочность при обыч­ной температуре. Например, стандарт на динасовые и шамотные изделия устанавливает нижний предел этой характеристики при нормальных условиях в 10— 12МН/м², но с повышением температуры предел прочно­сти на сжатие уменьшается, табл. 5.

Таблица 5 Временное сопротивление огнеупоров сжатию при разных температурах

Вид огнеу-поров	Временное сопротивление сжатию, МН/.м^2, при температуре, испытания, °С
Динас Шамот Магнезит	16,68 18,64 41,20	14,72 17,66 37,29	11,77 20,60 31,39	7,36 8,83 26,49	5,88 1,18 23,54	4,71 0,589 18,15	2,94 0,049 0,785

 

Условия работы огнеупоров

Изменение объема огнеупоров. Во время работы при высоких температурах огне­упорные изделия в кладке печей изменяют объем. Изме­нение объема огнеупоров обусловливается следующими явлениями: 1) термическим расширением; 2) усадкой или ростом; 3) деформацией под нагрузкой.

Все огнеупорные изделия при нагревании расширя­ются. При нагревании огнеупоров до 1000° С их расшире­ния очень малы и не превышают десятых долей процента. У шамотных изделий при нагревании наступает усад­ка, которая возрастает с повышением температуры об­жига. При вторичном обжиге шамотных изделий усадка в них не появляется до тех пор пока температура нагре­ва не превысит температуру его предыдущего обжига и только с дальнейшим повышением температуры в шамот­ном изделии вновь появится дополнительная усадка. Уст­ранение дополнительной усадки в шамотных изделиях может быть достигнуто обжигом при максимальной тем­пературе, которая предполагается в рабочих условиях плавки или нагреве материалов в печах.

Дополнительная усадка огнеупоров в кладке печи со­провождается увеличением швов, при этом связь между изделиями нарушается, что приводит к разрушению всей кладки. Поэтому, для рабочих температур выше 1300° С не рекомендуется в печах делать своды из шамота.

Противоположное явление наблюдается у динасовых изделий, у которых с повышением температуры объем увеличивается под влиянием термического расширения и дополнительного роста. Динасовые изделия мало изменяют объем в интерва­ле температур, при которых происходит только термиче­ское расширение и резко изменяют свой объем в преде­лах температур, при которых происходит превращение одних кристаллических форм кремнезема в другие. По­этому целесообразно сооружение печных сводов из дина­са, так как рост объема его до 1 % способствует уплот­нению швов и повышению прочности свода.

Шлакоустойчивость огнеупоров. Во время работы большинства печей их огнеупорная футеровка находится в непосредственном контакте с рас­плавленной, газообразной или твердой фазами. В марте­новских печах при температурах 1600—1700° С она со­прикасается с печными газами, с расплавами стали и шлака, в дуговых электропечах при температурах 1800— 2500° С огнеупоры соприкасаются с расплавленной сре­дой выплавляемых ферросплавов и специальных сталей. В нагревательных печах при температурах 1200— 1350° С футеровка печи контактирует со слитками стали и окалиной железа.

В общем, шлакоустойчивость огнеупоров обусловли­вается их сопротивлением к разъедающему действию расплавленных масс. Важнейшие факторы, определяю­щие химическую активность шлаков и взаимодействие с огнеупорной кладкой печей: 1) температура процесса; 2) химический и минералогический состав огнеупоров и шлаков; 3) смачиваемость огнеупора расплавом (шла­ком); 4) вязкость шлаков; 5) гранулометрический со­став и структура огнеупорных изделий, характер и ве­личина пор.

Температура процесса очень интенсивно влияет на ак­тивность шлаков, так как с повышением температуры зна­чительно повышается их текучесть и смачиваемость. В этом случае шлак легко проникает во все поры и тре­щины огнеупорной футеровки, в результате чего значи­тельно увеличивается поверхность контакта огнеупора со шлаком. Пропорционально увеличению поверхности контакта повышается скорость химических реакций вза­имодействия шлака с огнеупором.

С повышением температуры шлакоразъедание огне­упоров интенсивно возрастает и при температурах по­рядка 1250—1500° С оно является главной причиной, ус­коренного износа печной футеровки. При этом необходи­мо помнить, что чем ближе химический состав шлака к химическому составу огнеупора, тем меньше взаимодей­ствие между ними.

Точность размеров и формы огнеупорных изделий. При строительстве различного типа печей необходи­мо учитывать кроме химического состава и физических свойств огнеупорных изделий, их форму и точность раз­меров, играющих очень важную роль при кладке стен, сводов и других элементов печных устройств. От точнос­ти размеров и правильности формы огнеупорных изде­лий зависит устойчивость и прочность кладки печных элементов, а также плотность стен.

В основном огнеупорные изделия могут быть разде­лены на две основные группы: 1) нормальный кирпич; 2) фасонные изделия.

К нормальному кирпичу относится так называемый прямой кирпич, имеющий форму параллелепипеда, а также продольный и поперечный клин. Ниже приведены размеры и форма огнеупоров.

Большой формат, им Малый формат, мм

Прямой кирпич: шамот, динас и полу­кислый....... 250X123X65 230X113X65

Клин продольный и по­перечный...... 250X123X65X55 230X113X65X45

Прямой магнезитовый и хромомагнезитовый 230X115X65

Фасонные огнеупорные изделия, в зависимости от конструктивных особенностей печных элементов, могут иметь весьма разнообразные формы и размеры.

 

Теплоизоляционные материалы

 

Назначение теплоизоляционных материалов — снизить тепловые потери и, та­ким образом, обеспечить экономию топлива или электроэнергии, сократить время на разогрев печи после ремонта, следовательно, повысить производительность и снизить стоимость единицы продукции.

Теплоизоляционные материалы делят по ряду признаков на следующие группы:

по огнеупорности - на огнеупорные, выдерживающие рабочую темпера­туру 800^оС, и неогнеупорные, которые могут быть ис-

пользованы только при температурах ниже 800 ^оС;

по происхождению - на естественные и искусственные;

по форме и способу применения - теплоизоляционные материалы выпол­няются в виде изделий (кирпичей, листов и т. д.) или в виде неформованных ма­териалов (засыпки, ваты, волокон и др.).

Воздух, как известно, обладает низкой теплопроводностью, поэтому мате­риалам и изделиям, имеющим большое количество пор, заполненных воздухом, свойственны высокие теплоизолирующие свойства. Для теплоизоляционных ма­териалов характерны низкие механическая прочность и шлакоустойчивость. В связи с этим теплоизолирующий слой кладки не следует подвергать нагрузке или допускать контакта его с жидкими средами (металлом или шлаком). По­этому, учитывая сравнительно низкие свойства теплоизолирующих материалов. тепловую изоляцию обычно выполняют наружным слоем футеровки. Исключением являются печи периодического действия, где с целью уменьшения потерь на аккумуляцию тепла кладкой, стены и свод печей (или съемный керамический колпак) выполняют целиком из изоляционного материала. Внутренний слой выполняют из теплоизоляционного материала, обладающего большей огне­упорностью и механической прочностью, наружный — из материала, имеющего меньшую огнеупорность, но и значительно меньшую теплопроводность. В этом случае, благодаря низкой плотности теплоизоляционного материала уменьшается масса футеровки и количество тепла, затраченное на ее нагрев, снижается.