Огнеупоры

1. Классификация огнеупорных материалов.

Огнеупоры - материалы и изделия, изготовленные преимущественно из минерального сырья и имеющие огнеупорность > 1580°С. Производство огнеупоров возникло в связи с развитием металлургии, а по мере распространения тепловых агрегатов различного назначения стало одной из важных отраслей во всех развитых странах. Создание современной, огнеупорной промышленности в России относится к периоду 1929 - 1940 гг. Огнеупоры изготовляются в виде изделий (кирпичи, фасонные и крупноблочные изделия) и неформованных материалов (порошки, массы, смеси для бетонов). По химико-минеральному составу огнеупоры делят на типы (кремнеземистые, алюмосиликатные, глиноземистые, глиноземоизвестковые, магнезиальные, известковые, хромистые, цирконистые, оксидные, углеродистые, карбидкремниевые и бескислородные), на типы на группы. При композиционном составе в наименовании огнеупоров на первое место ставится преобладающий компонент (например, периклазохромитовые и хромитопериклазовые). По огнеупорности огнеупоры делят на огнеупорные (1580 - 1770°С), высокоогнеупорные (свыше 1770, до 2000°С) и высшей огнеупорности (свыше 2000°С). По величине открытой пористости (%) различают огнеупоры особоплотные (до 3 включительно), высокоплотные (свыше 3 до 10 включительно), плотные (свыше 10 до 16 включительно), уплотненные (свыше 16 до 20 включительно), среднеплотные (свыше 20 до 30 включительно), низкоплотные (свыше 30); при общей пористости свыше 45% огнеупоры называются теплоизоляционными (легковесными), к которым относят и волокнистые огнеупоры. Огнеупоры могут быть общего назначения и для определения тепловых агрегатов и устройств, например, доменные, для сталеразливных ковшей и т.д., что указывается в нормативно-технической документации. Для изготовления огнеупоров используют разнообразные технологии, процессы. Преобладающей является технология, включающая предварительную, тепловую обработку и измельчение компонентов, приготовление шихт с добавлением пластифицированных составляющих, формование из них изделий прессованием на механических и гидравлических прессах или экструзией с последующей допрессовкой или литьем, обжиг в туннельных, реже в периодических и газокамерных печах для получения заданных свойств материала. Изготавливают также безобжиговые огнеупоры. Для неформованных огнеупоров процесс завершается измельчением и смешиванием компонентов.

2. Рабочие свойства огнеупорных материалов.

Важнейшим свойством является огнеупорность т.е. способность выдерживать без нагрузки воздействие высоких температур (более 1580^oС) не расплавляясь.Определяется она путем сравнения поведения испытуемого и стандартного образцов при нагревании по определенному скоростному режиму. Пористость огнеупоров. Поры могут быть открытыми и закрытыми. Различают общую, кажущуюся и закрытую пористость. Общая пористость определяется как отношение объема всех пор к объему изделия. Кажущаяся пористость – как отношение открытых пор к объему изделия. Закрытая пористость – как отношение объема закрытых пор к объему изделия.Пористость некоторых огнеупорных изделий имеет такие значения (%):

динас - 20-25; шамот - 24-30; высокоглиноземистые огнеупоры - 10-30; периклазовые огнеупоры - < 25; периклазо-хромитовые огнеупоры - < 23. Механическая прочность при комнатной температуре характеризуется хрупким разрушением при сжатии. В качестве показателя используется предел прочности при сжатии _сж. Для обычных изделий _сж = 20-50 МПа, для плотных – до 100 МПа, т.е. прочность зависит от пористости. Значения _сж для некоторых огнеупоров такие, МПа: динасовые - 17, 5-25; шамотные - > 25; высокоглиноземистые огнеупоры - > 45; периклазовые огнеупоры - > 40; хромопериклазовые огнеупоры - > 25. Температура деформации под нагрузкой определяется под нагрузкой 0, 2 МПа. При этом отмечают температуру начала деформации (размягчения), 4 % и 40 % сжатие образца высотой 50 мм и диаметром 36 мм. Деформация под нагрузкой при высоких температурах определяется количеством образующейся жидкой фазы и ее распределением в образце. Температура 4 % деформации является по существу предельной температурой службы огнеупора, а 40 % деформации – температурой разрушения образца.В реальных условиях действительные нагрузки на огнеупор колеблются в пределах от нескольких до 30 МПа и никогда не превышают 80 МПа. Термостойкость – это способность огнеупоров выдерживать без разрушения резкие колебания температуры.Термостойкость характеризуется числом теплосмен, т.е. циклов нагрева и охлаждения. Различают водяные и воздушные теплосмены.При водяных теплосменах образец (кирпич 230x113x65 мм) нагревают до 1300^oС, выдерживают его 10 мин при этой температуре, а затем охлаждают в проточной воде (5-25^oС) в течение 5 мин. Эти циклы (теплосмены) продолжают до тех пор, пока образец не потеряет 20 % первоначальной массы. Большое влияние на термостойкость оказывает химико-минералогический состав и зерновой состав огнеупора.Термостойкость Тс₁₃₀₀ – вода некоторых огнеупоров равна: динасовых – 1-2; шамотных – 10-25; высокоглиноземистых – 15-20; периклазовых – 1-2; периклазохромитовых – 5-20.При воздушных теплосменах кирпич нагреваю до 800^oС и охлаждают в потоке компрессорного воздуха до потери 20 % массы. В настоящее время этот метод не используется. Химическая стойкость. До 70 % огнеупоров разрушается в результате взаимодействия со шлаком, металлом и газами. Наиболее сильное разрушающее воздействие оказывают шлаки. Разрушающее действие шлака носит сложный характер и оценить шлакоустойчивость огнеупора одим показателем сложно. Здесь сказывается состав огнеупора, его пористость, температура взаимодействия, гидродинамические условия.Как правило, основные огнеупоры хорошо противостоять основным шлакам. Кислые—кислым. Нейтральные – примерно одинаково противостоят и кислым, и основным шлакам. Постоянство объема. Сохранение постоянного объема – важная характеристика огнеупоров, потому что в этом случае в кладке не возникает дополнительных напряжений. Это особенно важно для сводов и арок. В действительности все огнеупоры во время службы в тепловых устройствах испытывают рост или усадку вследствие усадки материала или термического расширения. Теплопроводность огнеупорных материалов зависит от составляющих фаз и характера их структуры и определяется той фазой, которая является сплошной средой. В общем случае она определяется формулой (Вт/м*К) Аккумулирующая способность огнеупоров характеризует способность материала принимать при нагреве и отдавать при охлаждении теплоту. Она выражается формулой (Втxс^{0, 5}/м²xК)

Эта величина имеет большое значение при выборе огнеупоров, работающих в периодических условиях: футеровка печей, насадка регенератора и т.п.

3. Служба огнеупоров.

Условия службы огнеупоров в зонах печи заметно различаются. В подавляющем большинстве случаев продолжительность кампании футеровки зависит от стойкости огнеупоров в зоне обжига, в которой условия эксплуатации наиболее тяжелые. На футеровку в этой зоне действуют высокие температуры, достигающие 1750 - 1780 С, и температурный градиент в огнеупоре; химическое взаимодействие с обжигаемым материалом; значительные механические нагрузки, возникающие в замкнутой кольцевой кладке за счет термического расширения футеровки; механический и абразивный износы под действием движущегося материала и др. Эти факторы условно разделены на три группы: термические, механические и химические, которые неодинаково влияют на огнеупоры в зависимости от участка печи. Необходимость нормирования свойств огнеупоров в зависимости от назначения определяется различными условиями их службы. Кроме высокой температуры в различных тепловых агрегатах, огнеупоры подвергаются воздействию других факторов.В ряде случаев огнеупоры испытывают действие резких изменений температуры, расплавленных металлов и шлаков, горячих газов со значительным содержанием пыли, истирающее действие твердых кусков руды, топлива и т. п. Ковшовый кирпич и стопорные трубки испытывают воздействие одних и тех же разрушающих факторов. Однако в условиях их службы имеется значительная разница. Ковшовый кирпич зажат соседними кирпичами со всех сторон за исключением одной, которая и подвергается резкому неоднократному нагреванию горячим металлом и шлаком и последующему свободному охлаждению на воздухе. Ковшовый кирпич служит в течение разливки нескольких плавок — до износа. Стопорные трубки испытывают действие разрушающих факторов по всей наружной поверхности за исключением торцовых сторон, которыми они примыкают друг к другу. Стопорная трубка служит один раз в течение наполнения ковша сталью и разливки ее по изложницам, т. е. 1-2 часа. Помимо теплового удара и действия высокой температуры, обусловленных соприкосновением с расплавленной сталью, ковшовый кирпич и стопорные трубки подвергаются воздействию расплавленных шлаков, которые разъедают соприкасающиеся с ними поверхности этих изделий. Динасовый кирпич в своде мартеновской печи служит в течение 3-4 месяцев. Он часто нагревается выше предельно допустимой температуры, что вызывает его интенсивное оплавление и преждевременный износ свода. Нагрев свода выше допустимой температуры называют поджогом.Динас хорошего качества при поджогах вытягивается в тонкие нити, что является своеобразным сигналом о необходимости уменьшения количества подаваемого в печь топлива. Для ускорения сталеплавильных процессов часто необходимо развить в плавильном пространстве мартеновской печи температуру, значительно превышающую огнеупорность динаса.В верхней и средней части шахты кирпич не испытывает нагревания до высоких температур.Помимо высокой температуры, в заплечиках и горне кирпич истирается полутвердыми шихтовыми материалами, коксом, подвергается действию расплавленных чугуна и шлака. В лещади доменной печи огнеупор в течение длительного времени, исчисляемого годами, находится под действием расплавленного чугуна.Неоднородность кирпича или утолщенная шовность кладки лещади, вызванная колебанием размеров кирпича, может быть причиной преждевременного износа лещади и даже аварии — прорыва горна или лещади. В топках паровых котлов, в регенераторах мартеновских печей, помимо высокой периодически изменяющейся температуры, на огнеупорный кирпич действуют раскаленные частицы пыли, взвешенные в газах.

4. Волокнистые огнеупорные материалы (производство, свойства, применение).

Сегодня материалами нового поколения по праву считаются волокнистые материалы. Сочетание изоляционных, огнеупорных и высокотемпературных свойств, низкая малоинерционность и теплопроводность позволяют применять их для футеровки почти всего термического оборудования вместо традиционных. В частности, такие материалы можно использовать в металлургии для футеровки установок восстановления железорудных печей нагрева металла и окатышей перед прокаткой; изоляции слоев газоходов установок для обжига руды; термоизоляции купола, воздуховодов и стен воздухонагревателей мартеновских печей и доменных печей; изоляции ковшей разлива метала, конвекторов и котлов-утилизаторов печей и т.п. На основе базальтовых и муллитокремнеземистых волокон с использованием высокотемпературных неорганических связующих осуществляется производство волокнистых материалов. Волокнистые материалы обладают такими свойствами: малой теплопроводностью и плотностью, высокой прочностью на изгиб и разрыв, трещиноустойчивостью, термостойкостью. В печах, которые работают не в полную загрузку (" рваный режим") и в термических печах периодического действия, где температуры печного пространства постоянно колебаются, применение волокнистых материалов наиболее эффективно. Благодаря низкой плотности и низкой теплопроводности волокнистых материалов массу футеровки печи можно уменьшить в несколько (до десяти) раз, это дает возможность за счет толщины футеровки уменьшить габариты печи. Как следствие, в несколько раз уменьшается теплота, которая аккумулируется во время разогрева, чем время разогрева печи резко сокращается, что позволяет эффективно использовать не только энергоресурсы, но и уменьшать непроизводительное время работы обслуживающего персонала и печи.
В печах периодического действия экономия энергоносителя в среднем достигает 40% (и до 25% — в печах непрерывного действия). До 1, 5-2 часов сокращается срок выхода на режим. Проекты по применению волокнистых огнеупорных и теплоизоляционных материалов для футеровки промышленных печей периодического действия окупаются в срок до 6 месяцев (для печей, которые работают непрерывно, срок окупаемости составляет 1-1, 5 года). Трудоемкость футеровочных работ значительно снижается при применении волокнистых материалов за счет удобства и простоты монтажа, а при механическом повреждении использование волокнистых материалов обеспечивает высокую ремонтопригодность футеровки. Такие материалы не особо чувствительны к изменениям температур, а именно: к циклам нагрев-охлаждение и легко обрабатываются. Без заметных изменений качества материала количество термосмен может достигать от 1 тыс. до 2 тыс. Зачастую футеровка из волокнистых материалов многослойна. Плита из муллитокремнеземистого волокна на неорганическом высокотемпературном связующем обычно представляет собой внутренний слой. Он рассчитан на то, что температура эксплуатации будет более высокая. Следующие слои, как правило, дешевле и теплопроводность у них ниже (к примеру, второй слой — один из недорогих материалов — перлитобентонитовый кирпич, а третий — плита из базальтового волокна). Эта многослойность разрешает использовать ценные качества материалов, и, конечно же, добиться оптимального соотношения качества и цены. Высокую степень черноты, которая составляет 0, 9-0, 95 для диапазона температур 1000-1200 градусов Цельсия (для сравнения: степень черноты шамота равна 0, 6-0, 72 при тех же условиях) также можно считать отличительным преимуществом волокнистых огнеупорных материалов, в основе которых муллитокремнеземистые волокона. Это качество дает возможность создавать печи с системами радиационного нагрева на основе волокнистых материалов. Такие системы, включающие дискофакельные и плоскопламенные горелки и футеровку из волокнистых материалов, на которой происходит эффективное и полное сгорание газа и при этом сгорании во внутренний объем печи осуществляется радиационное излучение тепловой энергии, обеспечивают заметное уменьшение образования окалины на изделиях из металла, которые термически обрабатываются и равномерный нагрев.