3. Классификация огнеупорных материалов

Установлено шесть основных признаков классификации огнеупорных материалов: химико-минералогический состав, огнеупорность, плотность, способ формования, термическая обработка, форма и размеры.

1.По химико-минералогическому составу огнеупорные материалы делят на типы: кремнеземистые, алюмосиликатные (низко-, средне- и высокоглиноземистые), магнезиальные, магнезиально-известковые, магнезиаль- но-шпиндельные, магнезиально-силикатные, углеродистые, карбидкремниевые, цирконистые, оксидные и некислородные.

Внутри каждого типа выделены группы, отличающиеся по содержанию определяющих компонентов.

2.По огнеупорности огнеупорные материалы делят на огнеупорные (1580 − 1770 °С), высокоогнеупорные (1770 − 2000 °С) и высшей огнеупорности (свыше 2000 °С).

3.По плотности огнеупорные материалы делят на особо-плотные (с открытой пористостью до 3%), высокоплотные (3 − 10%) и далее вплоть до легковесных (45 − 85%) и ультра легковесных (свыше 85%).

4.По способу формования огнеупорные изделия делят на пластичноформованные, сухоформованные, шликернолитые, термопластично-прес- сованные, горячепрессованные, плавлено-литые и пиленые.

5.По термической обработке огнеупорные изделия делят на обжиговые и безобжиговые.

6.По форме и размерам огнеупорные изделия делят на прямые и клиновые нормальных размеров, фасонные простые, сложные, особосложные, фасонные крупноблочные массой свыше 60 кг и специальные промышленного и лабораторного назначения.

Огнеупорные материалы оценивают по их физическим и рабочим свойствам.

Физические свойства огнеупорных материалов. Пористость и

8

плотность взаимосвязаны: чем выше пористость, тем ниже плотность, и наоборот. Пористость выражают в процентах. Различают пористость кажущуюся или открытую, при которой поры сообщаются с атмосферой; пористость кажущуюся закрытую, при которой поры расположены внутри изделия и не сообщаются с атмосферой, и пористость общую, равную сумме двух первых. Повышенная пористость является причиной повышенной газопроницаемости и пониженной шлакоустойчивости и механической прочности.

Газопроницаемость, находящуюся в прямой зависимости от наличия открытых сквозных пор в изделии, определяют коэффициентом газопроницаемости.

Удельная теплоемкость (кДж/(кг·К)) имеет особое значение для печей периодического действия: чем меньше удельная теплоемкость огнеупорных материалов, тем меньше потери теплоты на разогрев футеровки до рабочей температуры.

Теплопроводность, (Вт/(м·К)), зависит от природы материала, его пористости, температуры и состояния. Зависимость теплопроводности от температуры описывается формулой

λ t = λ ٠ ± bt,

где b − эмпирический коэффициент; t − температура, °С. Теплопроводность большинства огнеупорных материалов уве-

личивается с повышением температуры.

Электрическая проводимость имеет большое значение для футеровки электрических печей. Подавляющее большинство огнеупорных материалов неэлектропроводны. Их электрическое сопротивление тем выше, чем меньше посторонних примесей в огнеупорном материале. Исключение составляют углеродистые, графитовые и карборундовые изделия.

Магнитная проницаемость µ представляет собой отношение абсолютной магнитной проницаемости материал к магнитной проницаемости

9

вакуума. Чистые огнеупорные материалы являются диамагнитными, т.е. для них µ< 1.

Тепловое расширение при нагреве зависит от природы материала и температуры. Для компенсации теплового расширения в кладке футеровки печи предусматривают зазоры (температурные швы), закрывающиеся по мере разогрева футеровки.

Рабочие свойства огнеупорных материалов. Огнеупорность является свойством материала противостоять переходу в пластичное или жидкотекучее состояние при высоких температурах. Огнеупорность определяют следующим образом. Из испытуемого материала по ГОСТу изготовляют пироскопы, имеющие форму треугольных усеченных пирамид. Пироскоп в вертикальном положении помещают на подставке в печь и нагревают. С повышением температуры пироскоп размягчается и наклоняется Температуру, при которой верхний конец пироскопа коснется подставки, называют огнеупорностью данного материала. Пироскоп наклоняется постепенно, так как огнеупорный материал представляет собой многокомпонентную систему и при нагреве ее компоненты размягчаются и расплавляются последовательно, начиная с более легкоплавких.

Деформация под нагрузкой при высоких температурах определяет способность огнеупорных материалов противостоять одновременному воздействию высоких температур и нагрузке на сжатие. Для испытания изделия изготовляют образец высотой 50 мм и диаметром 36 мм. Образец помещают в печь, сжимая под давлением 0,2 МПа, и нагревают. Температуру отмечают при деформации образца 4 и 40%. Температуру, соответствующую деформации 4%, называют температурой начала деформации, а температуру, соответствующую деформации 40%, называют температурой конца деформации.

10

Температура начала деформации под нагрузкой характеризует строительную прочность огнеупорного материала. Огнеупорные материалы в печах испытывают напряжения сжатия, не превышающие, как правило, 0,2

	МПа, поэтому темпера-
	тура	начала деформа-
	ции	под	нагрузкой
	практически равна мак-
	симальной температуре
	применения		огнеупор-
Рис. 1. Зависимость степени деформации огнеупорных мате-риалов	ного материала.
		Различные матери-
от температуры:
1 — шамотных; 2 — магнезитовых; 3 — динасовых; 4 — муллито-	алы	при высоких		тем-
вых.
	пературах		ведут	себя

по-разному (рис. 1). На их деформацию влияют следующие основные факторы:

а) наличие или отсутствие прочного кристаллического сростка огнеупорного компонента. Например, высокая температура начала деформации динасовых огнеупорных изделий объясняется прочным огнеупорным сростком кристаллов SiO2. В структуре шамотных огнеупорных изделий отсутствует огнеупорный кристаллический сросток, огнеупорные элементы разобщены легкоплавкой фазой, в результате температура начала их деформации ниже, чем у динасовых огнеупорных изделий;

б) наличие примесей-плавней; чем их больше, тем ниже температура начала деформации под нагрузкой;

в) плотность огнеупорного материала; чем выше плотность, тем больше сопротивление деформации под нагрузкой.

Шлакоустойчивость − свойство огнеупорных материалов противостоять химическому и физическому воздействию шлаков в условиях плавильных и раздаточных печей. Химическое воздействие определяется реакциями, протекающими между огнеупорным материалом и шлаком, а

11

физическое − размывающим действием шлаков по отношению к огнеупорному материалу. Оба эти фактора действуют одновременно. Огнеупорные материалы, так же как и шлаки, могут быть кислыми, основными и нейтральными. Соответственно подбирают материал для футеровки: при кислых шлаках − кислые огнеупорные материалы; при основных шлаках − основные огнеупорные материалы.

На шлакоустойчивость значительно влияет температура печи. С ростом температуры повышается скорость химических реакций взаимодействия шлаков с огнеупорными материалами, одновременно увеличивается жидкотекучесть шлаков, что также увеличивает их разрушающее действие на огнеупорные материалы.

Смачиваемость огнеупорного материала шлаком значительно влияет на шлакоустойчивость. Чем меньше смачиваемость, тем выше шлакоустойчивость огнеупорного материала.

Физические свойства огнеупорного материала тоже влияют на его шлакоустойчивость. Чем больше плотность и меньше пористость огнеупорного материала, тем он более шлакоустойчив.

Термическая стойкость − свойство огнеупорных материалов противостоять резким изменениям температуры, не разрушаясь и не растрескиваясь. Термическая стойкость определяется числом водяных теплосмен. При этом огнеупорный кирпич на 50 мм вводят торцом в печь с температурой 1300°С, а затем погружают на ту же глубину в проточную холодную воду (водяная теплосмена). Процесс повторяют до потери 20% массы образца. Термическая стойкость огнеупорного материала зависит от многих факторов. Она повышается при увеличении теплопроводности и уменьшается с ростом теплового расширения. Форма и размер огнеупорного изделия также влияют на его термическую стойкость; она тем ниже, чем сложнее форма изделия и больше его размер.

Сопротивление истиранию и удару имеет значение для вагранок, тигельных индукционных печей и т.п. Прочность огнеупорных материалов

12

на истирание устанавливают с помощью истирающих кругов. При испытании определяют, насколько меньше становится масса образца. Сопротивление истиранию обусловлено твердостью основного огнеупорного компонента и материала, цементирующего отдельные зерна кристаллов основного огнеупорного компонента. При низких температурах огнеупорные материалы имеют низкое сопротивление удару. При высоких температурах ударная нагрузка компенсируется размягченным слоем, который образуется на поверхности огнеупорного материала, обращенной в рабочее пространство печи.

Сопротивление воздействию печной атмосферы − важное свойство огнеупорных материалов. Газовая атмосфера, заполняющая печное пространство, может быть окислительной, восстановительной и нейтральной.

Окислительной атмосфере хорошо противостоят все огнеупорные материалы, за исключением углеродистых. Восстановительную атмосферу хорошо выдерживают огнеупорные материалы, не содержащие большого количества оксидов железа. Оксиды железа при температуре 450−600°С являются катализаторами реакции

2СО СО2 + С.

Эта реакция приводит к осаждению в порах огнеупорных изделий сажистого углерода и разрушению кладки.

Впечах с контролируемой атмосферой применяют смеси газов СО, Н2, СН4, Н2О, N2, имеющие в основном восстановительный характер. Этим газам также хорошо противостоят огнеупорные материалы, содержащие минимальное количество оксидов железа.

Всушилах содержится повышенное количество водяных паров, которым хорошо сопротивляются плотные огнеупорные изделия. Плавильная пыль при высоких температурах действует аналогично шлакам.

Все огнеупорные материалы хорошо противостоят действию нейтральной атмосферы.

13