Виды огнеупорных материалов, классификация

 

Разные виды огнеупорных материалов изначально отличаются по степени своей огнеупорности (максимальная температура применения по Цельсию):

огнеупорные (1580 – 1770 градусов по Цельсию);

высокоогнеупорные (1770 – 2000 градусов по Цельсию);

высшей огнеупорности (свыше 2000 градусов по Цельсию);

Огнеупоры различаются на штучные изделия (блоки) и на неформованные (сыпучие). К неформованным (сыпучим) материалам причисляют мертели, засыпки и массы, которые применяют для изготовления огнеупорных бетонов и печного торкретирования.

Штучные огнеупорные изделия определяются строго по форме и величине, имеют следующую структуру:

1 — прямые и клиновые стандартных размеров, небольших и больших форм;

2 — фасонные простые, сложные, особо сложные, крупноблочные (более 60 кг);

3 — специального назначения в промышленном и лабораторном использовании (тигли, трубки и прочее);

Прямые и клиновые огнеупорные изделия стандартных размеров нередко именуют кирпичами. Но именовать кирпичами эти огнеупоры некорректно, поскольку их подобие с обычным кирпичом для стройки – формальное. Поэтому такие огнеупорные материалы правильно определять как изделия.

По наличию коэффициента пористости огнеупоры бывают:

1 — особо плотные, пористость (свыше 3%);

2 — высокоплотные (3 – 10%);

3 — плотные (10 – 16%);

4 — уплотненные (16 – 20%);

5 — среднепористые (20 – 30%);

6 — повышенно пористые (свыше 30%);

7 — легковесные, пористость (45 – 85%);

8 — ультралегковесные, пористость (свыше 85%);

По методу формования огнеупоры также различаются на:

  • пиленые из натуральных скальных пород либо из заранее подготовленных монолитов;
  • литые, сформованные в специальных формах методом литья;
  • пластичного изготовления, формуемые из пластичных масс с помощью пресса;
  • полусухого формования, получают из влажных либо сухих малопластичных и непластичных порошков, в которые добавляется материал для связки (глина, каолин, бентонит, известь и прочее). Производятся с помощью пресса, а также прессовой трамбовкой;
  • плавленые, получаемые из определенного расплавленного состава;
  • термопластичнопрессованые, делаются из прессованных масс с добавлением в них термопластичных веществ (парафин, воск);
  • горячепрессованные, производят из мягких термопластичных масс с применением горячего пресса;

Подавляющее большинство огнеупоров производят под прессом с исходных полусухих и пластичных материалов. По типу термического воздействия выделяют такие огнеупорные изделия:

1 — безобжиговые (также армированные) к ним относят пиленые, прессованные, а также трамбованные, которые не обжигают перед эксплуатацией;

2 — обожженные, подвергаются печному обжигу перед дальнейшей службой;

3 — плавленые, прошедшие обжиг после отливки;

Чаще всего, современная металлургическая промышленность использует обожженные огнеупорные изделия, которые имеют разные свойства при эксплуатации. Например, шамотные огнеупорные изделия применяют главным образом для кладки доменной печи, сифонной разливки стали и т. д.

Из вышесказанного можно увидеть, что спектр огнеупорных материалов достаточно многообразен. Тем не менее, непрерывный опыт усовершенствования технологических приемов в металлургической промышленности при высокотемпературных режимах толкает к необходимости создания новых видов огнеупорных материалов. В настоящее время их ассортимент значительно расширился, что вызвано новыми и разнообразными технологическими задачами в современной металлургической промышленности. Остановимся на наиболее распространенных видах огнеупорных материалов, которые применяются в нынешней производственной ситуации.

 

Периклазоуглеродистые огнеупоры

периклазовые огнеупорыПериклазоуглеродистыми огнеупорами называют необожженные изделия, имеющие около 80 % содержание оксида магния (перикглаз). Их получают под сильным давлением, применяя углеродистую связку, в которую добавляют природный либо искусственный графит в пропорциях (от 6 до 25%). Присутствие углерода на порядок повышает шлакоустойчивость периклазовых (магнезитовых) огнеупоров в их службе, поскольку углерод препятствует попаданию шлакового расплава в это изделие. Наращивание коэффициента графита в изделии ведет к повышению его шлакоустойчивости и термостойкости, однако при этом несколько понижается механическая прочность и защитные окислительные качества.

При эксплуатации графит подвергается окислительным процессам, что негативно отображается на прочности огнеупора и является основным его минусом. Для устранения окислительного воздействия материал обогащают карбидом кремния, порошками кремния, алюминия, магния и прочими. На выходе такие изделия сушат при температуре около 150 градусов по Цельсию, что дает отличную огнеупорность свыше 1700 градусов по Цельсию. Периклазоуглеродистые огнеупоры применяют в футеровке кислородных конвертеров, сталеразливочных ковшей при внепечной обработке.

 

Кремнеземистые огнеупоры

Кремнеземистые огнеупоры – изделия, которые содержат в своем составе очень высокий процент (около 99) диоксида кремния (кремнезем), равно как и его разновидности – кварцевого стекла, а также других пород на их основе. Только качественные кремнеземистые огнеупоры обладают высокой плотностью и вязкостью с малым диаметром пор, не теряя этих свойств в работе с высокими температурными режимами. Благодаря этим способностям, кремнезем в расплавленном состоянии практически является условно твердым веществом и огнеупорным изделием вплоть до 2000 – 2500 градусов по Цельсию. Используют кременеземистые огнеупоры в строительстве сводов печей цветной металлургии, руднотермических, отражательных и дуговых для выработки меди, никеля, цинка.

 

Карбидкремниевые огнеупоры

Карбидкремниевые огнеупоры делают на основе карборунда (химическое соединение кремния и углерода). Они бывают трех видов:

  1. на минеральной связке (глинистой, кремнеземистой и др.);
  2. без связки – рекристаллизованные, это изделия высокотемпературного обжига (2200 – 2300 градусов по Цельсию) и низкотемпературного обжига (1350 – 1450 градусов по Цельсию);
  3. на искусственных синтетических связках – из ферросилиция, нитрида кремния;

Отличительными и характерными свойствами карбидкремниевых огнеупоров являются их высокая теплопроводность и термостойкость, относительно высокая электропроводность. Они хорошо устойчивы к кислым шлакам и значительно хуже к основным шлакам. Карбидкремниевые огнеупорные изделия также являются весьма абразивоустойчивыми. От углеродистых изделий они отличаются тем, что углерод в них содержится в прочно связанном виде с кремнием, а в окислительной среде при высоких температурных режимах зерна карбида кремния покрываются пленкой кремнезема, что защищает их от дальнейшего окисления. Не менее важным свойством карбидкремниевых огнеупоров также является жаростойкость – способность при сильных температурах самошлаковаться и чем сильнее температура, тем выше качество изделий. Огнеупорность таких изделий в зависимости от выбранной связки, варьируется от 1700 до 1800 градусов по Цельсию. Применяются как электронагреватели для печей сопротивления, так и для плит муфельных печей.

 

Муллитокорундовые огнеупоры

Муллитокорундовые огнеупоры состоят из высокоглиноземистого шамота, изготавливаемого из глинозема (оксид алюминия) и каолина. Для этих огнеупоров характерно и наличие определенного процента стеклофазы. Обладая кристаллическим строением, они соединяют в себе два основных компонента: муллит и корунд в равных долях в объеме 90 %. Кристаллическое равновесие муллита и корунда в этих изделиях не ведет к дальнейшему химическому сращиванию, поэтому устанавливается невысокий температурный порог начала деформации. Повышение содержания оксида алюминия усиливает химическую стойкость в агрессивной среде. Однако их сопротивляемость к основным шлакам несколько уступает магнезитовым огнеупорам.

Муллитокорундовые огнеупоры имеют плотное строение, обладают сильной износоустойчивостью, прочностью и отлично справляются с высокими температурными режимами от 1780 до 1850 градусов по Цельсию. Широко применяются в изготовлении глиссажных труб в печах нагрева стальных слитков, кладки пода нагревательных резервуаров, а также для футеровки отходосжигающих печей. В начале своего производства эти изделия предназначались для стекловаренных печей.

 

Муллитовые огнеупоры

Для муллитовых огнеупорных изделий также характерно наличие глинозема, оксида алюминия (в пропорциях от 62 до 72 %). Для производства этих изделий муллит синтезируют, а затем получают из него огнеупорное изделие. Веществом для синтеза муллита служит технический глинозем, качественные огнеупорные глины, каолины и кварц. Полученную массу формуют и подвергают обжигу в туннельных печах при температуре 1700 – 1800 градусов по Цельсию.

При таких условиях получают огнеупорное изделие высокой огнеупорности (свыше 1800 градусов по Цельсию). Применяют такие изделия при производстве стекла, бетона, а также для футеровки различных металлоплавильных электропечей, работающих с применением как основных, так и кислых шлаков.

 

Алюмосиликатные огнеупоры

Алюмосиликатные изделия относятся к самым распространенным огнеупорным материалам. Это собирательное название для огнеупоров, которые содержат различный коэффициент оксида алюминия (муллит, частично корунд). Эти элементы являются главными составляющими глинозема и служат первичным материалом для алюмосиликатных огнеупоров. Исходя из этого, можно выделить следующую группу алюмосиликатных огнеупоров по содержанию в них оксида алюминия в процентном соотношении: полукислые (15 – 28 %), шамотные (28 – 45 %), муллитокремнеземистые (45 – 62 %), муллитовые (62 – 72 %), муллитокорундовые (72 – 90 %) и корундовые (свыше 90 %). С повышением коэффициента оксида алюминия в этих изделиях улучшаются все их механические свойства и параллельно, возрастает температурный порог их эксплуатации.

Полукислые и шамотные (низкомуллитовые и среднемуллитовые) изделия имеют огнеупорность 1750 – 1820 градусов по Цельсию.

Муллитокремнеземистые, муллитовые и муллитокорундовые 1780 – 1850 градусов по Цельсию и корундовые 1900 – 2000 градусов по Цельсию.

Корундовые огнеупоры в этой системе занимают высшее положение по прочности. Необходимость их применения связана с наиболее ответственными участками сталеплавильных печей (подины, фурмы, ковши) при самых высоких температурных режимах, где полукислые и шамотные изделия требуют значительного повышения своих теплофизических и технических возможностей.

 

Динасовые огнеупоры

Основным материалом для динасовых огнеупоров служит кремнезем с содержанием не менее 93 % диоксида кремния. По специфике целей службы и свойств выделяют три разновидности динаса: коксовый, металлургический и динас для стекловаренной промышленности, а равно как и для электровакуумной. Форма динасовых огнеупоров различается на простую и фасонную. Простую форму изделия имеет металлургический динас, а изделия из коксового и стеклодинаса имеют сложно-фасонную.

Исходным сырьем для получения динаса являются кремнеземистые породы – кварциты с высоким содержанием (около 95 %) диоксида кремния. Однако нежелательными примесями в составе сырья являются глинозем и щелочи, значительно ослабляя огнеупорность этого изделия. При наращивании диоксида кремния коэффициент огнеупорности динаса возрастает.

При наличии 95 – 98 % диоксида кремния в материале, его огнеупорность находится в интервале 1710 – 1730 градусов по Цельсию. Из-за исключительного постоянства свойств и размеров, динасовые огнеупоры употребляют для кладки коксовых печей, стен и сводов мартеновских, малых мартеновских печей, а также в стекловаренных агрегатах и в цветной металлургии.