Огнеупорные материалы. Структура, свойства, испытания
Алленштейн Й.
Интермет Инжиниринг, 2010 г.
5. НЕФОРМОВАННЫЕ (МОНОЛИТНЫЕ) ОГНЕУПОРЫ
Этот термин является правильным обозначением того, что в настоящее время еще часто называют «огнеупорные массы» или «набивные массы». Набивные массы представляют собой лишь малую часть всех неформованных огнеупоров. В сравнении с огнеупорными изделиями (формованными огнеупорами) прилагательное «неформованные» также выражает основное отличие. Огнеупорные изделия имеют конкретную форму, их обычно подвергают равномерному обжигу и укладывают с помощью подходящего мертеля. Напротив, неформованные огнеупоры размещаются на больших площадях с применением шаблона и образуют футеровку после затвердевания.
5.1 Термины и критерии классификации 5.1.1 Термины
Общее определение неформованных огнеупоров приведено в стандартах ISO1927 [1] и особенно DINEN1402-1 [2]: «....смеси, состоящие из заполнителей и одной или большего числа связок, готовы к применению или в состоянии поставки, или после добавления одной или нескольких подходящих жидкостей. Неформованные огнеупоры могут содержать добавки металлических, органических или керамических волокон».
Эти смеси бывают либо плотные, либо теплоизоляционные. Теплоизоляционные смеси имеют общую пористость более 45 %, которая определяется на обожженных образцах в конкретных условиях в соответствии с EN1094-4.»
Сводная библиография по этим огнеупорам приведена в литературе [12-17].
DINEN1402-1 определяет также другие термины, такие как предварительно сформованные изделия (premanufacturedparts), класс (фракция) крупности и необходимый расход материала (потребность в материале), которые важны для понимания и применения стандарта, а также для описания огнеупора. Сюда включены также определения типов связующих:
а) гидравлическая связка с гидравлическим затвердеванием при комнатной температуре;
б) керамическая связка с затвердеванием в результате спекания при обжиге;
в) химическая связка (неорганическая или органонеорганическая) с затвердеванием в результате химической, а не гидравлической, реакции при комнатной температуре или ниже температуры образования керамической связки;
г) органическая связка с затвердеванием при комнатной температуре или при более высоких температурах.
Конечно, часто встречаются смешанные связки, такие как, например, в набивной массе на фосфатной связке (химико-керамическая) или в гидравлически твердеющей заправочной или ремонтной массе, содержащей наряду с высокоглиноземистым цементом некоторое количество связующей глины (гидравлическая-керамическая). В таких случаях следует указывать тот тип связки, который наиболее важен для процесса затвердевания. Перед выбором огнеупора рекомендуется проверить, требуется ли нагрев материала для затвердевания после его укладки. Это поможет предотвратить неприятные сюрпризы и дискуссии о сроках снятия опалубки, ходе выполнения работ и вводе печи в эксплуатацию. При работе с неформованными огнеупорами часто используют опорную опалубку (шаблоны), чтобы дать материалам достаточную выдержку до тех пор, пока они не наберут необходимую прочность.
5.1.2 Классификация по типу огнеупоров и методам применения
Неформованные огнеупоры подразделяют на следующие группы: Огнеупорные бетоны
Группа огнеупорных бетонов, безусловно, представляет наиболее важный тип продукции. Огнеупорные бетоны могут быть плотными или теплоизоляционными. Первоначально непрерывно развивались относительно простые смеси из заполнителей и высокоглиноземистых цементов и связующие системы достигали высокого технического уровня. Это вызвало дифференцирование, причем плотные огнеупорные бетоны классифицируются в соответствии с EN1402-1.
Обычные огнеупорные бетоны типа RC (regularcastable)
Это огнеупорные бетоны гидравлического твердения, которые содержат цемент, но не содержат дефлокулянт.
Дефлокулированные (разжижаемые) бетоны
Эти бетоны должны соответствовать двум критериям:
- они должны иметь по меньшей мере один дефлокулянт;
- содержать по меньшей мере 2 мас.% сверхтонких частиц (< 1 мкм). Сверхтонкие частицы — это пирогенный кремнезем (или микрокремнезем)
или, например, реактивные глиноземы.
Дефлокулированные огнеупорные бетоны подразделяются в зависимости от содержания СаО, а не от содержания цемента (табл. 5.1). Из этой таблицы видно, что содержание цемента, естественно, уменьшается со снижением содержания СаО. Если, например, производить бетон ULCCс глиноземистым цементом, содержащим примерно 70 % Al203, в его состав можно включить максимум 3,3 % цемента. Если использовать глиноземистый цемент с 80 % Al203, то максимальное содержание цемента не может превышать 5 %.
Проблемы в процессе затвердевания нарастают по мере снижения содержания цемента. Бетоны ULCCи NCCдля достижения достаточной прочности сырца часто требуют нагрева.
Огнеупорные бетоны на химической связке
Эти огнеупорные бетоны содержат одну или несколько химических связок, которые после добавления подходящей жидкости затворения и интенсивного смешения обычно твердеют в результате реакции нейтрализации. Здесь следует также упомянуть, что четкое разделение между огнеупорными бетонами на химической связке и дефлокулированными бетонами типа NCCзатруднено. Это обусловлено тем, что механизмы связывания исследованы недостаточно или не проведена более детальная классификация.
Формуемые огнеупорные материалы
Под это понятие попадают все смеси, способные к формованию, которые известны как пластичные, набивные и неточные.
Пластичные массы
Эта группа материалов, как было доказано, представляет старейшие неформованные огнеупоры. Этот тип огнеупоров был разработан в США в 1914 г. как «гибкий огнеупорный кирпич» и в течение длительного времени использовался как стандартный материал рабочего слоя футеровки в различных печах [3] (огнеупорный бетон был разработан позднее; например, первая патентная заявка была зарегистрирована в 1932 г. в США).
Пластичные массы поставляются в форме недеформирующихся уплотненных блоков или дисков и укладываются путем трамбования (вручную или с помощью машин). Возможна их укладка без шаблонов. Массы затвердевают под воздействием тепла при температуре выше комнатной.
Набивные массы
Это материалы, которые поставляются в сыпучем или увлажненном состоянии и готовыми к использованию. Они утрамбовываются с применением стационарного шаблона; в специальных случаях применяется также вибрация. Известна другая форма поставки, когда, например, жидкая связка поставляется отдельно и смесь сначала должна достичь консистенции, необходимой для применения, в лопастном смесителе на месте проведения ремонтных работ.
Набивные массы подобно пластичным обычно затвердевают под воздействием тепла при температуре выше комнатной.
Леточные массы
Леточные массы специально используются для заполнения и уплотнения леток доменных печей. Как и в случае пластичных масс, в данном случае речь идет о полученных выдавливанием, предварительно уплотненных блоках с пластичной консистенцией из огнеупорных заполнителей и нескольких органических и керамических связующих. Эти массы после обжига или, соответственно, в процессе службы содержат углеродистую связку.
Огнеупорные торкрет-массы
Торкрет-массы завоевали большую долю рынка благодаря быстрой и относительно простой технологии их нанесения. Они подразделяются на три группы:
- огнеупорные бетоны (плотные или теплоизоляционные), которые поставляются в сухом виде и укладываются после добавки воды в процессе и/или перед операцией торкретирования;
- дефлокулированные огнеупорные бетоны, которые готовятся в лопастном смесителе для получения консистенции, готовой к применению. Затем бетон транспортируется двухпоршневыми насосами к торкрет-соплу, где струя бетона распыляется нагнетаемым сжатым воздухом и одновременно нагнетаемый ускоритель вызывает затвердевание материала после его попадания на участок применения (шоткретинг - shotcreting);
- пластичные торкрет-массы, предназначенные специально для торкретирования под высоким давлением воздуха и с большими объемами воздуха. Для торкрет-работ требуются специальные машины. Пластичные массы поставляются в увлажненном состоянии и готовыми к использованию.
Огнеупорные мертели
Эта группа материалов также принадлежит к неформованным огнеупорам и предназначена для укладки, укрепления мертелем или склеивания огнеупорных изделий, готовых элементов и теплоизоляционных изделий. Состав мертелей варьируется в зависимости от качества или назначения огнеупорных изделий. Мертели состоят из тонкозернистых заполнителей и связующих, поставляются в сухом состоянии или готовыми к использованию. Различают преимущественно два типа мертелей:
а) отверждаемые под воздействием тепла, которые схватываются при повышенных температурах благодаря присутствию в них химической или керамической связки;
б) воздушно-твердеющие, которые схватываются при комнатной температуре благодаря присутствию в них химической или гидравлической связки.
Другие неформованные огнеупоры
Сухие смеси
Смеси укладываются сухими с применением вибрации или трамбования и достигают максимальной плотности вследствие их специфического зернового состава; при этом не требуются жидкости для затворения.
Смеси обычно содержат временную связку (органическую и спекающие добавки), которая при дальнейшем повышении температуры превращается в керамическую связку. Смеси используются главным образом в футеровке тигельных и канальных индукционных печей, транспортных ковшей литейного производства.
Нагнетаемые массы
Это тонкозернистые массы, которые нагнетаются насосами высокого давления (от 10 до 200 бар). Они могут поставляться готовыми к использованию или смешиваться на месте. Типичный пример — закачиваемые массы, используемые для наполнения зазоров. Массы нагнетаются через стальной кожух доменной печи и служат в качестве наполнителя в остаточной кирпичной кладке. Применение масс позволяет улучшить эффективность охлаждения и удлинить кампанию печи.
Массы для защиты поверхностей
Эти массы представляют собой смеси тонкозернистых заполнителей и связующих. Массы обычно поставляются готовыми к использованию с более высоким содержанием жидкости или воды, чем, например, в мертелях. Массы известны также под названием «покрытия» и могут иметь керамическую, гидравлическую, химическую или органическую связку. Они наносятся вручную (с помощью кисти или мастерка), с помощью пневматического или механического торкретирования или распылением.
Следует обратить внимание на следующее. В котлах и в трубчатых зонах мусоросжигательных установок SiC-набивные массы запрессовываются в относительно тонкую стенку методом заделки заплатами (вручную) между отдельными штырями. Иначе говоря, в данном случае набивная масса используется как покрытие для водоохлаждаемых труб. Этот пример показывает, насколько сложными могут быть критерии точной классификации, поскольку некоторые материалы могут укладываться различными методами.