Огнеупорные материалы

К огнеупорным относятся материалы и изделия, способные выдерживать температуру более 1580 градусов. В большинстве своем огнеупорные материалы производятся из минерального сырья. Потребность в огнеупорных материалах значительно возросла за последние несколько десятилетий. Технологии создания новых огнеупорных материалов (каолиновая вата и др.) развиваются в двух основных направлениях:

1.Металлургия;
2. Изоляция различных тепловых агрегатов.

Огнеупорность – это свойство материала длительное время выдерживать очень высокие температуры, не меняя при этом своей структуры и свойств. Как правило, такие материалы применяются там, где температурный режим составляет > 900, и служат для защиты менее огнестойких изделий от воздействия, как температурного разрушения, так и от других факторов (газового и т.д.), возникающих при высокотемпературных процессах. Главной областью применения огнеупорных материалов, на которую приходится до 60% всех выпускаемых видов огнеупоров, является черная и цветная металлургия. Потребность в огнеупорах при выплавке 1т стали составляет от 20 до 90 кг, это значение меняется в зависимости от технологии. Также некоторые огнеупорные материалы используются в качестве противопожарной изоляции.
Виды огнеупоров

Алюмосиликатные огнеупоры. Сырьем для этих огнеупорных материалов служат оксид алюминия А₁₂О₃ и оксид кремния SiO2. Область применения алюмосиликатных огнеупоров - различные тепловые агрегаты. В зависимости от количества содержания А₁₂О₃ такие огнеупоры бывают:

– полукислые (содержание А₁₂О₃ - от 14 до 28%);

– шамотные (содержание А₁₂О₃ - от 28 до 45%);

– высокоглиноземистые (содержание А₁₂О₃ - от 45 до 95%);

Безобжиговые огнеупоры. Технология изготовления таких огнеупорных материалов заключается в их сушке при температуре не более 400. В качестве связующего при их изготовлении используются глина, жидкое стекло, фосфатные растворы или керамические суспензии, различные термопластичные смолы. Безобжиговые огнеупоры по термостойкости превосходят аналогичные материалы, выполненные по обжиговой технологии. Область применения безобжиговых огнеупоров в металлургии:

– блоки бетонные кремнеземистые – для строительства нагревательных колодцев;

– высокоглиноземные и шамотные материалы - в обжиговых агрегатах;

– магнезиальноизвестковые, со смоляным связующим - для изготовления внутренней поверхности сталелитейных конвертеров;

– пераклизовые – для изготовления сталеразливочных стаканов;

– магнезиальные - применяемые как в металлургических агрегатах, так и в печах по обжигу доломита, цемента и т.д.

Безкислородные огнеупоры – это материалы, изготовленные из не содержащих кислород соединений, к которым относятся карбиды, нитриды, силициды, сульфиды, путем обжига при высокой температуре изделий из порошков этих соединений с добавлением связки. В окислительной среде такие материалы имеют очень ограниченное применение.

Волокнистые огнеупоры – это сформированные огнеупорные материалы и плиты, а также блоки или листы изоляционного материала, имеющие волокнистую структуру. Изготавливаются из высоко-глиноземного или поликристаллического волокна, а также из оксида циркония. Такими огнеупорами футеруются тепловые агрегаты, а также их используют в качестве заполнителя компенсационных швов.

Высокоглиноземистые огнеупоры – один из видов алюмосиликатных материалов, содержание А₁₂О₃ в которых больше 45%. Этот огнеупор имеет три вида:

– муллитокремнеземистый (А₁₂О₃ - 45-62%), МКР, имеет шамотную основу из глин и бокситов;

– муллитовый (А₁₂О₃ -62-72%), МЛ;

– муллитокорундовый (А₁₂О₃ - 72-90%) МК, так же, как и МЛ, имеют основу из глиноземов, маложелезистых бокситов и электрокорундов.

Данным видом огнеупора футеруются сталеразливочные и другие виды металлургических ковшей, горна доменных и своды электродуговых печей, а также поверхности агрегатов, температурный диапазон работы которых превышает 1350. Огнеупоры МК и МЛ применяют в качестве набивки для металлургических ковшей и как заполнитель при изготовлении огнеупорных бетонов.

Высокоглиноземистые корундовые огнеупоры. К ним относятся огнеупоры, содержание А₁₂О₃ в которых >95%. Для изготовления такого огнеупора используют порошок электроплавкого корунда и технический глинозем. После формировки его обжигают при температуре 1600-1750. Огнестойкость получаемого материала позволяет использовать его в процессах с температурой 1750-1800, корундовый огнеупор способен устойчиво контактировать с жидким металлом и шлаками, кислотами, щелочами и расплавленным стеклом. Изготовленные корундовые огнеупорные материалы и плиты применяются в качестве шиберных затворов ковшей, футеровки вакууматорных камер стали, при производстве тиглей для плавки стекла и для изготовления насадок высокотемпературных нагревателей воздуха. Из неформованной массы этого огнеупора выполняются ремонтные работы футеровок, используемых при температуре больше 1700.

Динасовые огнеупоры – разновидность кремнеземистых огнеупоров, в составе которых находится более 93% SiO₂. Если материал выпускается с кварцитовыми добавками, то содержание SiO₂ может составлять 80-93%. Производятся следующие виды динасовых огнеупоров:

– известковопериклазовые (доломитовые) – к основе из доломита добавляется периклазовый порошок, доля MgO в котором составляет 10-50%, а СаО – 45 –85%. Изготовление этих огнеупоров при t° 1500 –1700°С дает возможность сохранять в их составе частично свободный СаО. Область применения этих материалов - футеровка сталеплавильных печей и ковшей, конвертеров и электропечей;

– безобжиговые известковопериклазовые - сформированное из обожженного порошкового доломита и органического связующего (каменноугольная смола и т.д.) изделие обрабатывается температурой 300-600°. Эти огнеупоры выдерживают температуру больше 2000°, это позволяет использовать их для футеровки сталеплавильных конвертеров;

Карбидкремниевые – огнеупоры с количеством SiC > 70%. Применяют их при изготовлении рекуператоров, муфелей, футеровке электронагревательных колодцев. Также используют эти огнеупоры в агрегатах по производству алюминия и цинка. Применение оксинитридной и нитридной связки в этом огнеупорном материалепозволяет использовать их в домнах и печах для футеровки их нижней части. Из неформованной массы этого огнеупора делают покрытие щитовых экранов в топках котелен, а также используют при огнеупорной кладке.

Кремнеземистые огнеупоры – содержащие в своем составе > 80% SiO₂. Подразделяются на динасовые и кварцевые. Кварцевые огнеупоры представляют собой расплав природного или синтетического кремнезема, который содержит в себе > 99% SiO₂. Они используются при производстве инфракрасных ламп, блоков стекловарных печей, защитных частей термопар. Измельченное кварцевое стекло в виде порошка после термообработки дает возможность получать огнеупорную кварцевую керамику.

Легковесные – огнеупоры с пористой (от 45 до 850%) структурой. В зависимости от сырья изготовления, бывают шамотными, динасовыми, глиноземными и другими. Пористость материала достигается несколькими технологическими приемами:

– добавлением в шихту быстро выгорающих компонентов. Это может быть кокс, древесные опилки, полистирол;

– смешиванием огнеупорных порошков в виде суспензий и пены клеевого раствора;

– добавлением химических газообразующих добавок в суспензию, которая содержит стабилизатор.

Заполненные составом формы подвергаются термообработке при температуре > 1250°. Применение легковесных огнеупоров при устройстве футеровки печей котелен и обжиговых печей позволяет снизить расход энергоресурсов на 10-30% по сравнению со стандартными материалами.

Магнезиальные огнеупоры – содержат в своем составе MgO. Их изготовляют из смеси обожженных и сырых материалов, которые после добавки связки проходят термообработку при температуре 1500-1900°. Такие огнеупоры обладают высокой огнестойкостью, что позволяет применять их в процессах, связанных с расплавом металла и шлаками, а также при футеровке агрегатов металлургии. Магнезиальные огнеупоры бывают трех видов:

Магнезиальносиликатные огнеупоры – их основу составляет форстерит Mg₂SiO₄, к которому добавлены 50-60% MgO, 25-40% SiO₂ и связующая добавка. Такие огнеупоры могут использоваться как без обжига, так и после обжига при температуре 1450-1550° С. Характерные особенности этих огнеупоров - пористость 22-28% и температура, при которой начинается размягчение - 1610-1620°С. Огнеупоры этого вида используют для футеровки в мартенах и стекловарных печах, при изготовлении металлургических ковшей и стаканов. Неформированные виды огнеупоров используют в качестве добавки в металлургических порошках;

Магнезиальношпинелидные огнеупоры – имеют в своем составе периклиз и хромшпинелид MgO. Обжигаемые при температуре 1700-1850°С, периклазохромитовые огнеупоры имеют в своем составе более 60% MgO, и от 5 до 20% Cr₂O₃. Для получения нужных характеристик огнеупора необходим чистый, более 96%, MgO, а также концентраты хромита. Такие огнеупоры используют в самых ответственных местах металлургических агрегатов: в сталелитейных печах при футеровке сводов, в горловинах и летках кислородных конвертеров, в сталелитейных ковшах, в высокотемпературных печах. Стоимость магнезиальношпинелидных огнеупоров более низкая, чем магнезиальношпинелидных периклазохромитовых, поэтому первые применяются на менее ответственных участках металлургических агрегатов.

Магнезитоизвестковые – изготовляются из прошедшего обжиг доломита или из составов, в которые входят окислы магния и кальция. Такие огнеупоры служат для футеровки конвертеров.

Неформованные огнеупоры – материалы, которые выпускаются без определенных форм, могут быть в виде кусков, суспензии, порошка, волокон или пасты. К этому виду огнеупоров относятся заполнители огнеупорных бетонов, огнестойкий цемент, огнеупорные бетоны и другие смеси, а также сталелитейные заправочные порошки. В зависимости от консистенции, такие огнеупоры бывают сухими или полусухими, а также пластичными. Главное назначение таких огнеупоров - материал для ремонта и устройства футеровок различного назначения в самых разных агрегатах сталелитейного оборудования, от сталеразливочных ковшей до мартеновских печей.

Выпуск оксидных огнеупорных материалов не ограничивается только неформованным материалом, состоящим на более чем 97% из высокоогнеупорных оксидов BeO, A₁₂O₃, CaO,Cr₂O₃ и других компонентов. Этот огнеупор производится и в виде изделий, которые формируются из порошков или суспензий под давлением. Такие огнеупоры в виде технической керамики применяются в качестве корпусов для измерительных приборов, контролирующих температурный, кислородный и другие режимы литейного процесса, а также для тиглей, вкладышей на разливе стали и в других областях.

Периклазовые огнеупоры – имеют в своем составе более 85% MgO, поэтому их называют магнезиальными. Изготавливаются они по обжиговой, при температуре 1600-1900°С, и по безобжиговой технологиям. В качестве связки при безобжиговой технологии применяется лигносульфонатовый сульфат магния и другие. Периклазовые огнеупоры широко используются для футеровки печей по выплавке никеля, мели, стали, в высокотемпературных печах, в кислородных конвертерах и ковшах в качестве затворов, для стаканов разлива стали и т.д. Огнеупор, выпускаемый неформованным, используют при изготовлении металлургических порошков и набивных масс вакууматоров.
Периклазоуглеродистые - огнеупоры, основу которых составляет периклазовый порошок, к которому добавляется 6-25% графита и органическая связка (фенольная порошковая или другая такого же типа). Этот вид огнеупора используется для футеровки механизмов, подающих газ снизу в конвертеры, для важнейших участков электродуговых печей, а также для шиберных затворов.

Плавленые огнеупоры – получили свое название от технологии их производства. Огнеупорное сырье расплавляют при высокой температуре, а затем заливают в формы. Процесс расплавки происходит в электродуговых печах, только для кварца необходима печь сопротивления с кислородными горелками. Огнеупорные материалы такого типа, изготовленные из корунда или смеси корунда и муллита, в виде блоков применяются при устройстве подин в нагревательных печах, а также для днищ вакуум- камер. Для выполнения футеровки печей по выплавке стекла, применяют плавленые огнеупорные плиты из бадделеитокорундового кварцевого сырья. Некоторые порошки из плавленых огнеупоров используют для производства огнеупорных бетонов и изделий из них.

Полукислые алюмосиликатные огнеупоры – содержат в своем составе от 14 до 28% А₁₂О₃. Их свойства позволяют использовать такие огнеупоры только на малозначимых участках футеровки коксовых печах и в некоторых других сталелитейных агрегатах, но как противопожарная изоляция, этот вид огнеупоров имеет большие перспективы.

Смолодоломитовые огнеупоры – Технология изготовления данных огнеупоров заключается в создании смеси из порошка, полученного при обжиге доломита, который смешивается с 4-6% каменноугольной смолы при температуре 100-120°С и формуется под прессом в изделия. Огнеупор этого типа устойчив при взаимодействии со шлаками и обладает плотностью 2800-2900кг/м³. Основная область применения смолодоломитового огнеупора - футеровка кислородных конвертеров. Добавление в состав магнезитового порошка позволяет получать смолодоломитомагнезитовые огнеупоры. Применяются готовые огнеупоры этого типа там же, где и смолодоломитовые.

Углеродистые огнеупоры –главным составляющим имеют свободный углерод. К этому виду огнеупоров 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 таких изделий - более 2000°С;

– пирографит, который получают в результате распада углеродосодержащего газа на поверхности с высокой температурой;

– углеродосодержащие огнеупоры. Сырьем для их изготовления могут быть графит, корунд, шамот или огнеупорные глины.

Общие характеристики углеродистых огнеупоров: обладают высокой теплопроводностью, низким тепловым коэффициентом линейного расширения, способны длительное время выдерживать взаимодействие с расплавленным металлом и шлаком.

Область применения углеродистых огнеупоров:

– Футеровка нижней части доменных и электротермических печей;

– использование в агрегатах по выплавке меди и свинца;

– изготовление вкладышей изложниц, тиглей и т.д.;

– в виде неформованных порошков используются при кладке в качестве заполнителя швов, а также при футеровке сталелитейных желобов.

Цирконистые огнеупоры состоят из бодделеита и циркона. В зависимости от количества бодделеита (ZrO₂), эти огнеупоры делятся на четыре вида:

– оксидциркониевые огнеупоры, содержат > 85% ZrO₂;

– бадде-леитокорундовые, содержат от 20 до 85% ZrO₂, а также 65% А₁₂О₃;

– циркониевые, содержат более 50% ZrO₂ и более 25% Si₂O;

– оксидцирконийсодержащие, в которых ZrO₂ составляет менее 20%.

Цирконистые огнеупоры обладают высокой прочностью при температурах до 2400°С, предел огнестойкости этого материала - 2600°С, высокая термостойкость позволяет им длительное время выдерживать взаимодействие расплавленного металла. Керамические изделия, выполненные из ZrO₂, используют в качестве нагревательных элементов индуктивных печей, выдерживающих температуру до 2200°С, а также фильтров для сплавов. Другие разновидности цирконистых огнеупоров используют для производства различных агрегатов для разливки стали (тигли, стаканы, футеровка).

Шамотные огнеупоры – относятся к алюмосиликатным огнеупорам и содержат в своем составе от 28 до 45% А₁₂О₃ и 50-70% SiO₂. Для получения формованных изделий из шамота необходимо выполнить обжиг каолина (глины) в специальных вращающихся печах при температуре 1300-1500°С, полученный шамот измельчить, затем на его основе с добавлением глины и воды приготовить раствор, залить в формы, высушить и обжечь при температуре 1300-1400°С. Главное назначение таких огнеупоров - футеровка доменных, обжиговых и других печей, топок котлов котелен, а также при производстве сифонов для разливки стали. Неформованные огнеупоры этого вида, полученные при измельчении шамота, используются в сталелитейном оборудовании в качестве мертелей, различных набивок, составляющих огнестойких бетонов, а также порошков. Шамотный огнеупор незаменим при ремонте различных футеровок.

Наша компания также реализует огнеупоры для изоляции ограждающих конструкций гражданских и промышленных объектов, например - ппж 200 - плита для конструкций с большой нагрузкой, материал для огнеупорных подложек прокладок и т.д.

Контрольные вопросы к лекции

1. Дайте физическое объяснение кривой изменения температуры нагрева тела.

2. Что такое теплоемкость тела и удельная теплоемкость?

3. Что такое переходный процесс?

4. Напишите формулу решения дифференциального уравнения (формулу экспоненты). Дайте определение физическим величинам, входящим в формулу.

5. Что такое постоянная времени переходного процесса (физическое и математическое понятие)?

6. Как определяется время переходного процесса от начала до промежуточного значения физической величины?

7. Как определяется время полного переходного процесса?

8. Дайте характеристику режимам работы электротехнологических установок. В какой зависимости находится время работы установки от постоянной времени переходного процесса при длительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы?

9. Охарактеризуйте способы теплопередачи.

10. Каково физическое понятие коэффициента теплопроводности, коэффициента теплопередачи конвекцией, коэффициента теплового излучения?

11. Опишите методику теплового и электрического расчета электротермической установки.

12. Что такое огнеупорность, механическая прочность, термическая прочность, электропроводность, теплопроводность, химическая нейтральность материалов?