Билет 29 Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы (огнеупоры) - это материалы, получаемые на основе минерального сырья и отличающиеся способностью сохранять свои свойства в условиях эксплуатации при высоких температурах. В своем большинстве они относятся к грубой керамике и применяются в качестве конструкционного или облицовочного материала для постройки различных промышленных печей (коксовых, доменных, сталелитейных и др.), топок и аппаратов, работающих в условиях высоких температур (1000-1800 °С).

Основным эксплуатационным свойством огнеупоров является огнеупорность, которая оценивается как максимальная температура, которую стандартный образец материала выдерживает не расплавляясь. Обычно к огнеупорам относят материалы с огнеупорностью выше 1580 °С (температура первой эвтектики в системе SiО₂-А1₂Оз). Если огнеупорность превышает 1750 °С, материал считается высокоогнеупорным. Наконец, к материалам высшей огнеупорности относят материалы с огнеупорностью выше 2000 °С.

Кроме огнеупорности для огнеупорных материалов весьма важны такие характеристики, как строительная прочность при высоких температурах, температура начала деформации под нагрузкой, стойкость к термоудару, химическая стойкость (шлакоустойчивость). Огнеупоры бывают пористыми (вплоть до ультралегковесных с пористостью 75-90 %) и непористыми (вплоть до особоплотных с пористостью менее 3 %), формованными (кирпичи, трубы и т.д.) и неформованными (обмазки, сухие смеси), обожженными и безобжиговыми (с температурой термообработки не выше 600 °С, дальнейший обжиг происходит непосредственно в тепловом агрегате). По стоимости и сложности получения часть огнеупоров относят к традиционным (динасо-вые, шамотные, магнезитовые и многие другие), часть - к высокотехнологичным (цирконовые, нитридные, оксинитридные и др.).

По составу и химическим свойствам огнеупоры делятся на кислые (состоят из кислотных или амфотерных оксидов), основные (состоят из основных оксидов) и нейтральные (состоят из малоактивных амфотерных оксидов или веществ неоксидного характера). В соответствии со своим химическим характером первые наиболее пригодны для плавки стекла или спекания керамики, стекла, природного камня, вторые - для выплавки металлов или спекания портландцементного клинкера, третьи характеризуются универсальностью применения.

Так как огнеупоры, относящиеся к системе SiО₂-Al₂О₃, составляют более 80 % всей массы производимых в настоящее время огнеупоров, остановимся вкратце на особенностях их производства, состава и на некоторых их свойствах.

Высококремнеземистые (кварцевые и динасовые) огнеупоры изготовляются из природных кварцитов, содержащих не более 1,5 % глинозема (как видно из диаграммы состояния SiО₂-А1₂О₃, даже небольшие примеси А1₂Оз в кремнеземе резко снижают температуру появления жидкого расплава и, следовательно, огнеупорность материала). В молотый кварцит вводят 2 % СаО (плавень и минерализатор), смешивают с органической связкой, формуют изделия, сушат и обжигают при 1450 °С.

При обжиге в системе появляется кальций-силикатный расплав, в нем интенсивно растворяются кристаллы кварца, а выпадают из него при пересышении уже в виде кристобалита или тридимита. Целью обжига кроме формирования монолита является достижение максимальной степени превращения кварца в две другие полиморфные формы кремнезема, что предохраняет материал от возможного разрушения при переходе через температуру обратимого превращения бета-кварца в гамма-тридимит (863 °С), сопровождающегося скачкообразным 16 %-ным изменением объема. Таким образом, в составе готовых высококремнеземистых огнеупоров содержатся кристаллические кристобалит, три-димит, а также немного остаточного кварца и волластонита (СаБЮз).

Кремнезем-глиноземистые (шамотные и муллитовые) огнеупоры изготовляют из смесей каолинитовых глин и шамота (обожженная глина примерно того же состава), который играет роль отощителя, т. е. ту же роль, что и кварц в керамических сырьевых смесях. Для коррекции состава могут быть добавлены также кварцит или боксит. Обжиг проводят при температуре около 1400 °С (до 1550 °С для высокоглиноземистых муллит-корундовых огнеупоров). Происходящие при этом процессы в основном соответствуют процессам при обжиге кирпича, но вследствие более высокой температуры здесь достигается большая степень муллитизации.

Минералогический состав готовых материалов включает главным образом кристаллические муллит и кристобалит, а также, в случае муллит-корундовых огнеупоров, корунд (α-А1₂Оз). В отличие от предыдущей группы огнеупоров у шамотных и муллитовых материалов нет полиморфных превращений с объемными эффектами, поэтому они значительно более устойчивы к термоудару и быстрому охлаждению.

Наконец, корундовые огнеупоры готовят из смесей на основе боксита (Al₂O₃·H₂O) или синтетического корунда с добавлением небольшого количества глины в качестве пластифицирующего компонента. После обжига при 1500-1600 °С материал состоит из кристаллов.