Основные свойства огнеупорных материалов

 Пригодность тех или иных огнеупоров в каждом отдельном случае оценивается в зависимости от их основных физических и рабочих свойств.

Рабочими называют свойства огнеупоров, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым в данном конкретном случае. Основными свойствами огнеупоров являются огнеупорность, термическая стойкость, химическая стойкость, деформация под нагрузкой при высокой температуре и постоянство формы и объема, пористость, газопроницаемость, теплопроводность, электропроводность.
Огнеупорность.
Огнеупорностью называется способность материалов выдерживать высокие температуры,
не деформируясь под действием собственного веса. При нагреве огнеупорный материал вначале размягчается вследствие плавления его легкоплавкой составляющей. При дальнейшем нагреве начинает плавиться основная масса, и вязкость материала постепенно уменьшается. Процесс плавления огнеупоров выражается в постепенном переходе из твердого состояния в жидкое, причем температурный интервал от начала размягчения до расплавления иногда достигает нескольких сот градусов. Поэтому для характеристики огнеупорности пользуются температурой размягчения.
Для этой цели при определении огнеупорности материалов используются керамические пироскопы (ПК). Пироскопы представляют собой трехгранные усеченные пирамиды высотой до 6 см с основанием в виде равностороннего треугольника со сторонами, равными 1 см. Каждому пироскопу соответствует определенная температура размягчения, т. е. температура, при которой пироскоп размягчается настолько, что вершина его касается подставки . В маркировке пироскопов указывается его огнеупорность, уменьшенная в десять раз. Для определения огнеупорности материала из нега изготавливают пирамидку по размерам пироскопа. Испытуемый образец вместе с несколькими пироскопами разных номеров устанавливают на подставке и помещают в электрическую печь. Испытание на огнеупорность сводится к наблюдению за размягчением (падением) образцов сравнительно с пироскопами при определенных условиях нагрева. огнеупорность материала обозначается номером того пироскопа, с которым образец упал одновременно.
Определение <a href='/slovar/ogneupornost' id='slovar5202-39640' name='Огнеупорность' class='jTip'>огнеупорности</a> с помощью пироскопов
 
 Определение огнеупорности с помощью пироскопов
 
Деформация под нагрузкой при высоких температурах.
В кладке печи огнеупоры испытывают в основном сжимающее усилие, увеличивающееся при нагреве печи. Для оценки механической прочности огнеупоров обычно определяют зависимость изменения величины деформации от температуры при постоянной нагрузке
зависимость изменения величины <a href='/slovar/deformatsii' id='slovar4780-14969' name='Деформации' class='jTip'>деформации</a> от температуры
Зависимость между деформацией огнеупоров под нагрузкой и температурой: 1- хромит, 2- шамот, 3- магнезит, 4- динас.
 
Испытания проводят на цилиндрическом образце высотой 50 и диаметром 36 мм при постоянной нагрузке 1,96-105 Па. Результаты испытания представляют в виде графика зависимости изменения высоты образца от температуры. Для характеристики деформации отмечают температуру начала размягчения, когда высота образца уменьшается на 4%, температуру, соответствующую изменению высоты на 40%, и температурный интервал размягчения, представляющий разность этих двух температур.
 
Постоянство формы и объема.
При нагреве огнеупоров в печах происходит изменение их объема под влиянием двух факторов — термического расширения и усадки (или роста). Термическое расширение большинства огнеупоров невелико. Гораздо значительнее изменение объема огнеупора при высоких температурах за счет происходящих превращений. Так, шамотные изделия дают усадку в результате образования некоторого количества жидкой фазы и уплотнения черепка. Обычно это уменьшение объема бывает больше, чем его термическое расширение, и приводит к увеличению швов. Динасовые изделия увеличивают объем при нагреве вследствие дополнительных процессов перекристаллизации. Рост объема изделия в процессе службы способствует уплотнению швов кладки. Изменение объема огнеупоров оценивают при нагревании точно измеренных образцов в печи.
 
Термическая стойкость.
Термической стойкостью называется способность огнеупоров не разрушаться при резких изменениях температуры. Это особенно важно для огнеупоров, работающих в печах периодического действия. Термическая стойкость огнеупоров тем выше, чем больше коэффициент теплопроводности материала, его пористость и размер зерен и чем меньше температурный коэффициент линейного расширения, плотность, размеры изделия и изменения объема при аллотропических превращениях.
Для определения термической стойкости используют образец в форме кирпича. образец нагревают 40 мин при 850°С, затем охлаждают 8—15 мин. Цикл нагрева и охлаждения называется теплосменой. Охлаждение может быть только на воздухе (воздушные теплосмены) или сначала в воде 3 мин, затем на воздухе 5— 10 мин (водяные теплосмены). Нагрев и охлаждение проводятся до тех пор, пока потеря массы образца (из-за откалывания кусков) не достигнет 20%. Термическая стойкость оценивается количеством выдержанных теплосмен.

Изделия, изготовленные полусухим прессованием, более термостойки, чем изделия пластической формовки.

От значения термостойкости зависит величина напряжений, возникающих в кладке при ее нагревании и особенно при резком изменении температуры в печи; в связи с этим температурные швы кладки делают с учетом линейного расширения огнеупорных изделий. Например, линейное расширение шамота при 800 °С равно 4,5·10-6°C-1X800°С·100% = 0,36%, т. е. 1 м шамотной кладки дает при этой температуре удлинение 3,6 мм.

 
Химическая стойкость.
Под химической стойкостью огнеупорных материалов понимается способность их противостоять разрушению от химического и физического воздействия образующихся в печи продуктов — металла, шлаков, пыли, золы, паров и газов. Наибольшее действие на огнеупоры в плавильных печах оказывают шлаки. По отношению к действию шлаков огнеупоры могут быть разделены на три группы — кислые, основные и нейтральные.
Кислые огнеупоры устойчивы к кислым шлакам, содержащим большое количество Si02, но разъедаются основными шлаками. Кислым огнеупором является динас. Динас устойчив к действию окислительных и восстановительных газов.
Основные огнеупоры устойчивы к действию основных шлаков, но разъедаются кислыми. К ним относятся огнеупоры, содержащие известь, магнезию и щелочные окислы (доломит, магнезит и др.).
Нейтральные (промежуточные) огнеупоры, в состав которых входят аморфные окислы, реагируют как с кислыми, так и с основными шлаками, нов значительно меньшей степени, чем кислые и основные. К ним относится хромистый железняк, содержащий в качестве основной составляющей FeO-Cr2O3.
 
Шлакоустойчивость
зависит от скорости химических реакций огнеупора со шлаком и от вязкости шлака. При вязких шлаках и малой скорости реакций огнеупорное изделие может работать хорошо. С повышением температуры скорость химических реакций увеличивается, а вязкость шлаков уменьшается, поэтому даже небольшое повышение температуры (на 25— 30° С) приводит к существенному увеличению коррозии огнеупоров. Пористые изделия с открытыми порами менее шлакоустойчивы, чем более плотные. Наружная гладкая поверхность корки кирпича лучше сопротивляется действию шлаков, чем шероховатая поверхность изломов. Трещины в изделии также понижают его шлакоустойчивость.
Для определения шлакоустойчивости применяют два метода — статический и динамический. При статическом методе в огнеупорном изделии высверливают цилиндрическое отверстие, в которое насыпают тонкоизмельченный шлак. Изделие нагревают в печи до его рабочей температуры (но не ниже 1450° С) и выдерживают при этой температуре 3—4 ч. О шлакоустойчивости судят качественно по степени растворения изделия в шлаке и глубине его проникновения в изделие. При динамическом методе на испытуемый огнеупорный кирпич, установленный в печи вертикально, при температуре 1450° С в течение 1 ч сыпят порошкообразный шлак (1 кг). Расплавляясь и стекая по поверхности кирпича, шлак проедает в нем борозды. Шлакоразъедаемость определяется по потере объема (в кубических сантиметрах) с учетом дополнительной усадки кирпича.
 
Теплопроводность.
В зависимости от целей, для которых используется огнеупор, теплопроводность его должна быть высокой или низкой. Так, материалы, предназначенные для футеровки печей, должны иметь низкую теплопроводность для уменьшения тепловых потерь в окружающее пространство и повышения к. п. д. печи. Однако материалы для изготовления тиглей и муфелей должны иметь высокую теплопроводность, уменьшающую перепад температуры в их стенках.
При повышении температуры теплопроводность большинства огнеупоров возрастает . Исключение составляют магнезитовые и карборундовые изделия теплопроводность которых при этому меньшается. теплопроводность всех огнеупоров уменьшается с увеличением пористости. Однако при высокой температуре (выше 800—900° С) увеличение пористости мало влияет на теплопроводность. Приобретают влияние конфигурация и размер пор, определяющие конвективную теплопередачу внутри пор. Увеличение содержания кристаллической фазы в материале приводит к увеличению теплопроводности.
Зависимость меж¬ду <a href='/slovar/koeffitsient' id='slovar5117-34009' name='Коэффициент' class='jTip'>коэффициентом</a> тепло¬проводности <a href='/slovar/ogneupory' id='slovar5203-40712' name='Огнеупоры' class='jTip'>огнеупоров</a> и температурой
Зависимость между коэффициентом теплопроводности огнеупоров и температурой:
1 — магнезит; 2 — хромомагнезит; 3 — динас; 4—шамот; 5 — пеношамот
 

Коэффициенты теплопроводности огнеупоров

 
Наименование огнеупоров Температурный коэффициент теплопроводности λ Вт/(м-К) Коэффициент λχΒт/(м*К) при рабочей температуре  Рабочая температура, к
Кирпич      
Шамотный (0,72+0,0005 t)1,16 1,65 1620—1720
Пеношамотный (0,24+0,0002 t)1,16 0,59 1620
Легковесный   шамот (0,09+0,000125 t) 1,16 0,29 1570
Динасовый (0,8+0,0006 t)1,16 2,11 1970
Магнезитовый (4,0—0,0015 t)1,16 1,24 1920—1970
Хромомагнезитовый     1970
Хромитовый (1,1+0,00035 t) 1,16 1,966 1920—1970
Диатомитовый (0,097+0,0002 t) 1,16 0,309 1120
Изделия      
Силлиманитовые (муллитовые) (1,45—0,0002 t)1,16 1,299 1920
Корундовые (1,8+0,0016 t)1,16 5,24 1920—1970
Циркониевые (1,12+0,00055 t)1,16 2,447 2020—2070
Карбофракс (18—0,009 t)1,16 15,66 1670—1770
Угольные (20—0,030 t)1,16 16,24 2270
Графитовые (140—0,035 t)1,16 81,2 2270
Изоляционные      
материалы:      
Асбест   распушенный (0,112+0,000167 t)1,16 0,2598 700
Диатомит (вермикулит) (0,062+0,000225 t) 1,16 0,28 900—1100
Шлаковая вата (0,05+0,000125 t) 1,16 0,167 750
 
 
Электропроводность. Электропроводность является определяющим параметром огнеупоров, применяемых для футеровки электрических печей. При нормальных температурах обычно все огнеупорные материалы являются хорошими диэлектриками. При повышении температуры их электропроводность быстро возрастает, и они становятся проводниками. электропроводность материалов с большой пористостью при высоких температурах уменьшается.
 
Теплоемкость
огнеупоров определяет скорость нагрева и охлаждения футеровки и затраты тепла на нагрев. Это имеет особенно важное значение при работе печей периодического действия. Теплоемкость зависит от химико-минералогического состава огнеупоров. Определяется она калориметрическим методом. Теплоемкость обычно незначительно растет с увеличением температуры. Среднее ее значение лежит в пределах 0,8—1,5 кДж/(кг-К).

Теплоемкость огнеупоров при различных температурах

 
Огнеупоры (кирпич) Химический состав огнеупоров, % Объемная масса кг/м3 Теплоемкость кДж/(кг*К) при температуре, К
      473 873 1273 1473
Шамотный 40Аl2О3, 57SiO2 1800 0,94 1,34 1,25 1,28
Полукислый шамот 30,0Ai2O3, 63,0SiO2 1830 0,88 1,143 1,24 1,26
Динас 96Si02 2040 0,99 1,18 1,21 1,22
Магнезитовый 88,85MgO 9,31Fe2O3 2350 1,06 1,22 1,26 1,42
Угольные электроды С 1480—1650  1,97
Графитированные изделия C 1500—1700 1,36

 

Пористость.Все огнеупорные изделия пористы. размер пор, их структура и количество весьма разнообразны. Отдельные поры либо соединены между собой и с атмосферой, либо представляют собой замкнутые пространства внутри изделия. Отсюда различают пористость открытую, или кажущуюся, при которой поры сообщаются с атмосферой, пористость закрытую, когда поры не имеют выхода наружу, и пористость истинную, или общую, т. е. суммарную.
Открытую пористость вычисляют на основе данных измерения водопоглощения и объемной массы огнеупорных изделий.
 
Газопроницаемость.Газопроницаемость зависит от природы огнеупора, величины открытой пористости, однородности структуры изделия, температуры и давления газа. С повышением температуры газопроницаемость огнеупоров понижается, так как объем газа при этом возрастает и увеличивается его вязкость. огнеупоры должны обладать возможно меньшей газопроницаемостью, особенно те, которые применяются для изготовления реторт, муфелей, тиглей. Наибольшая газопроницаемость у шамотных изделий, наименьшая у динаса.
 
Плотность и объемная масса.Плотность материала — это отношение массы образца к занимаемому им объему за вычетом объема пор. Объемная масса — это отношение массы высушенного при 105° С образца к занимаемому им объему, включая объем пор.
 
Внешний вид и структура.Все огнеупорные изделия делятся на сорта в соответствии с разработанными стандартами. Сорт огнеупорных изделий устанавливают по величине отклонения от установленных размеров, кривизне, отбитости углов, притупленности ребер, наличию отдельных выплавок, ошлакованнсти, просечкам и трещинам. Отклонения в размерах допускаются в пределах норм, указанных в соответствующих стандартах в зависимости от сортности. Кривизна изделий определяется стрелой прогиба. Очевидно, что чем больше будет кривизна, тем менее плотной окажется кладка. Отбитость углов и притупленность ребер также отрицательно влияют на качество кладки.
Выплавка представляет собой местное оплавление поверхности огнеупора с образованием «каверны». Причиной выплавок является недостаточно хорошее перемешивание шихты при изготовлении огнеупора. В местах выплавок происходит быстрое разрушение шлаками даже при сравнительно низкой температуре, поэтому число выплавок на поверхности изделия строго ограничивается.
Ошлакованность образуется на поверхности изделия в виде наростов как результат загрязнения ее при обжиге песком, глиной и т. д. Наличие ошлакованности на поверхности изделий также ограничивается.
Просечки (разрывы шириной до 0,5 мм) и трещины (разрывы шириной больше 0,5 мм) на поверхности огнеупорных изделий увеличивают коррозию шлаками и уменьшают их механическую прочность. Они образуются в процессе обжига при неосторожном нагреве или охлаждения изделия.
Огнеупорный материал хорошего качества должен иметь в изломе однородное строение без пустот и расслоений. Зерна разных фракций должны равномерно распределяться по поверхности излома, не выпадая и легко не выкрашиваясь.
При выборе того или иного материала необходимо руководствоваться основными требованиями к нему в каждом конкретном случае. Так, материал для стенок и свода плавильной печи должен прежде всего обладать высокой механической прочностью. Для откосов печи следует применять огнеупор, более стойкий к действию шлаков, образующихся при данном металлургическом процессе.
При выборе огнеупоров следует учитывать их стоимость. Сравнительная стоимость 1 т некоторых огнеупорных кирпичей 1-го сорта по отношению к стоимости динасового кирпича следующая:
Динасовый   ....      1,0
Шамотный   .... 0,8—0,9
 Высокоглиноземнстый.......2,2—8,5
Магнезитовый .   .   . 1,3—1,5
Магнезитохромитовый.......1,6—1,8
Хромомагнезитовый .1,0—1,3
Карборундовый    .   .1,4—2,8
Шамотный   легковесный с объемной плотностью 1,3 кг/м3   ...  1,7
 
Транспортировка и хранение огнеупорных изделий
При доставке к потребителю правильные транспортировка и хранение готовых огнеупорных изделий обеспечивают их сохранность, хорошее качество кладки и неизменность рабочих характеристик. При перевозке в вагонах огнеупорный кирпич укладывается рядами плотно по всей площади вагона с расклиниванием. Между рядами прокладывается солома или древесная стружка. При перевозке в автомашинах кирпич также плотно укладывается рядами с расклиниванием деревянными клиньями. В последнее время применяется транспортировка кирпича в контейнерах, что улучшает его сохранность и облегчает погрузочно-разгрузочные работы. При транспортировке кирпичей к рабочим местам на транспортерах и лотках они не должны ударяться друг о друга и о детали транспортирующих устройств.
Мертели и порошки перевозят в контейнерах, бумажных мешках, или навалом в чистых вагонах.
Склады для хранения огнеупорных изделий должны быть закрытыми. При хранении на открытом воздухе вследствие попеременного увлажнения и высыхания, замерзания и оттаивания рабочие характеристики огнеупоров ухудшаются. Уменьшение сопротивления сжатию после года хранения на открытом воздухе составляет для шамота 27—30%, для динаса 35%, для магнезитовых изделий 30%. Допускается в летнее время хранить шамотные и динасовые изделия в полузакрытых складах. Огнеупорные порошки и мертели хранят в закрытых складах в отдельных закромах.