Основні властивості вогнетривких матеріалів

Придатність тих чи інших вогнетривів в кожному окремому випадку оцінюється в залежності від їх основних фізичних і робочих властивостей.

Робочими називають властивості вогнетривів, що задовольняють вимогам, що пред'являються в даному конкретному випадку. Основними властивостями вогнетривів є вогнетривкість. термічна стійкість, хімічна стійкість, деформація під навантаженням при високій температурі і сталість форми і об'єму. пористість, газопроникність, теплопровідність, електропровідність.

Огнеупорностью називається здатність матеріалів витримувати високі температури,

НЕ деформуючись під дією власної ваги. При нагріванні вогнетривкий матеріал спочатку розм'якшується внаслідок плавлення його легкоплавку складової. При подальшому нагріванні починає плавитися основна маса. і в'язкість матеріалу поступово зменшується. Процес плавлення вогнетривів виражається в поступовому переході з твердого стану в рідке, причому температурний інтервал від початку розм'якшення до розплавлення іноді досягає декількох сотень градусів. Тому для характеристики вогнетривкості користуються температурою розм'якшення.

Для цієї мети при визначенні огнеупорности матеріалів використовуються керамічні піроскопа (ПК). Піроскопа представляють собою тригранні усічені піраміди висотою до 6 см з підставою у вигляді рівностороннього трикутника зі сторонами, рівними 1 см. Кожному піроскопа відповідає певна температура розм'якшення, т. Е. Температура, при якій піроскопа розм'якшується настільки, що вершина його стосується підставки. У маркуванні піроскопа вказується його вогнетривкість. зменшена в десять разів. Для визначення вогнетривкості матеріалу з нега виготовляють пірамідку за розмірами піроскопа. Випробуваний зразок разом з декількома піроскопа різних номерів встановлюють на підставці і поміщають в електричну піч. Випробування на вогнестійкість зводиться до спостереження за розм'якшенням (падінням) зразків порівняно з піроскопа при певних умовах нагріву. вогнетривкість матеріалу позначається номером того піроскопа, з яким зразок впав одночасно.

Визначення огнеупорности за допомогою піроскопа

Деформація під навантаженням при високих температурах.

У кладці печі вогнетриви відчувають в основному стискуюче зусилля. збільшується при нагріванні печі. Для оцінки механічної міцності вогнетривів зазвичай визначають залежність зміни величини деформації від температури при постійному навантаженні

Випробування проводять на циліндричній зразку висотою 50 і діаметром 36 мм при постійному навантаженні 1,96-10 5 Па. Результати випробування представляють у вигляді графіка залежності зміни висоти зразка від температури. Для характеристики деформації відзначають температуру початку розм'якшення, коли висота зразка зменшується на 4%, температуру, відповідну зміни висоти на 40%, і температурний інтервал розм'якшення, який представляє різницю цих двох температур.

При нагріванні вогнетривів в печах відбувається зміна їх обсягу під впливом двох чинників - термічного розширення і усадки (або зростання). Термічне розширення більшості вогнетривів невелика. Набагато значніше зміна обсягу огнеупора при високих температурах за рахунок відбуваються перетворень. Так, шамотні вироби дають усадку в результаті утворення деякої кількості рідкої фази і ущільнення черепка. Зазвичай це зменшення обсягу буває більше, ніж його термічне розширення, і призводить до збільшення швів. Динасові вироби збільшують обсяг при нагріванні внаслідок додаткових процесів перекристалізації. Зростання обсягу вироби в процесі служби сприяє ущільненню швів кладки. Зміна обсягу вогнетривів оцінюють при нагріванні точно виміряних зразків в печі.

Термічної стійкістю називається здатність вогнетривів не руйнуватися при різких змінах температури. Це особливо важливо для вогнетривів, що працюють в печах періодичної дії. Термічна стійкість вогнетривів тим вище, чим більше коефіцієнт теплопровідності матеріалу, його пористість і розмір зерен і чим менше температурний коефіцієнт лінійного розширення, щільність, розміри вироби та зміни обсягу при аллотропических перетвореннях.

Для визначення термічної стійкості використовують зразок у формі цегли. зразок нагрівають 40 хв при 850 ° С, потім охолоджують 8-15 хв. Цикл нагріву і охолодження називається теплосменой. Охолодження може бути тільки на повітрі (повітряні теплозмін) або спочатку у воді 3 хв, потім на повітрі 5 10 хв (водяні теплозмін). Нагрівання і охолодження проводяться до тих пір, поки втрата маси зразка (через відколювання шматків) не досягне 20%. Термічна стійкість оцінюється кількістю витриманих теплозмін.

Вироби, виготовлені напівсухим пресуванням. більш термостійкі, ніж вироби пластичної формування.

Від значення термостійкості залежить величина напружень, що виникають в кладці при її нагріванні і особливо при різкій зміні температури в печі; в зв'язку з цим температурні шви кладки роблять з урахуванням лінійного розширення вогнетривких виробів. Наприклад, лінійне розширення шамоту при 800 ° С дорівнює 4,5 · 10-6 ° C-1X800 ° С · 100% = 0,36%, т. Е. 1 м шамотної кладки дає при цій температурі подовження 3,6 мм.

Під хімічною стійкістю вогнетривких матеріалів розуміється здатність їх протистояти руйнуванню від хімічного і фізичного впливу утворюються в печі продуктів - металу, шлаків. пилу, золи, парів і газів. Найбільше дію на вогнетриви в плавильних печах надають шлаки. По відношенню до дії шлаків вогнетриви можуть бути розділені на три групи - кислі, основні і нейтральні.

Кислі вогнетриви стійкі до кислих шлаків. що містить велику кількість Si 02. але роз'їдаються основними шлаками. Кислим вогнетр ром є динас. Динас стійкий до дії окислювальних і відновних газів.

Основні вогнетриви стійкі до дії основних шлаків. але роз'їдаються кислими. До них відносяться вогнетриви, що містять вапно, магнезію і лужні оксиди (доломіт, магнезит та ін.).

Нейтральні (проміжні) вогнетриви, до складу яких входять аморфні оксиди, реагують як з кислими, так і з основними шлаками. нов значно меншому ступені, ніж кислі і основні. До них відноситься хромовий залізняк, що містить в якості основної складової FeO - Cr 2 O 3.

залежить від швидкості хімічних реакцій огнеупора зі шлаком і від в'язкості шлаку. При вузьких шлаках і малій швидкості реакцій вогнетривке виріб може працювати добре. З підвищенням температури швидкість хімічних реакцій збільшується, а в'язкість шлаків зменшується, тому навіть невелике підвищення температури (на 25- 30 ° С) призводить до істотного збільшення корозії вогнетривів. Пористі вироби з відкритими порами менш Шлакоустойчивость, ніж більш щільні. Зовнішня гладка поверхня кірки цегли краще чинить опір дії шлаків. ніж шорстка поверхня зламів. Тріщини в виробі також знижують його Шлакоустойчивость.

Для визначення Шлакоустойчивость застосовують два методи - статичний і динамічний. При статичному методі в вогнетривкому виробі висвердлюють циліндричний отвір, в яке насипають тонкоподрібненому шлак. Виріб нагрівають в печі до його робочої температури (але не нижче 1450 ° С) і витримують при цій температурі 3-4 ч. Про Шлакоустойчивость судять якісно за ступенем розчинення вироби в шлаку і глибині його проникнення в виріб. При динамічному методі на випробуваний вогнетривку цеглу, встановлений в печі вертикально, при температурі 1450 ° С протягом 1 год сиплять порошкоподібний шлак (1 кг). Розплавляючись і стікаючи по поверхні цегли, шлак проїдає в ньому борозни. Шлакораз'едаемость визначається по втраті обсягу (в кубічних сантиметрах) з урахуванням додаткової усадки цегли.

Залежно від цілей, для яких використовується вогнетрив, теплопровідність його повинна бути високою або низькою. Так, матеріали, призначені для футерування печей, повинні мати низьку теплопровідність для зменшення теплових втрат в навколишній простір і підвищення к. П. Д. Печі. Однак матеріали для виготовлення тиглів і муфелей повинні мати високу теплопровідність, що зменшує перепад температури в їх стінках.

При підвищенні температури теплопровідність більшості вогнетривів зростає. Виняток становлять магнезитові і карборундові вироби теплопровідність яких при цьому зменш. теплопровідність всіх вогнетривів зменшується зі збільшенням пористості. Однак при високій температурі (вище 800-900 ° С) збільшення пористості мало впливає на теплопровідність. Набувають вплив конфігурація і розмір пор, що визначають конвективную теплопередачу усередині пір. Збільшення вмісту кристалічної фази в матеріалі призводить до збільшення теплопровідності.

1 - магнезит; 2 - хромомагнезіт; 3 - динас; 4 шамот; 5 - пеношамот

Електропровідність. Електропровідність є визначальним параметром вогнетривів, що застосовуються для футерування електричних печей. При нормальних температурах зазвичай все вогнетривкі матеріали є хорошими діелектриками. При підвищенні температури їх електропровідність швидко зростає, і вони стають провідниками. електропровідність матеріалів з великою пористістю при високих температурах зменшується.

вогнетривів визначає швидкість нагріву і охолодження футеровки і витрати тепла на нагрівання. Це має особливо важливе значення при роботі печей періодичної дії. Теплоємність залежить від хіміко-мінералогічного складу вогнетривів. Визначається вона калориметричних методом. Теплоємність зазвичай незначно зростає зі збільшенням температури. Середнє її значення лежить в межах 0,8-1,5 кДж / (кг-К).

Теплоємність вогнетривів при різних температурах

Пористість. Всі вогнетривкі вироби пористи. розмір пір, їх структура і кількість вельми різноманітні. Окремі пори або з'єднані між собою і з атмосферою, або представляють собою замкнуті простору всередині вироби. Звідси розрізняють пористість відкриту, або уявну, при якій пори повідомляються з атмосферою, пористість закриту, коли пори не мають виходу назовні, і пористість справжню, або загальну, т. Е. Сумарну.

Відкриту пористість обчислюють на основі даних вимірювання водопоглинання і об'ємної маси вогнетривких виробів.

Газопроникність. Газопроникність залежить від природи огнеупора, величини відкритої пористості, однорідності структури вироби, температури і тиску газу. З підвищенням температури газопроникність вогнетривів знижується, так як обсяг газу при цьому зростає і збільшується його в'язкість. вогнетриви повинні володіти можливо меншою газопроницаемостью, особливо ті, які застосовуються для виготовлення реторт, муфелей. тиглів. Найбільша газопроникність у шамотних виробів, найменша у динасу.

Щільність і об'ємна маса. Щільність матеріалу - це відношення маси зразка до займаного ним об'єму за вирахуванням обсягу пір. Об'ємна маса - це відношення маси висушеного при 105 ° С зразка до займаного ним об'єму. включаючи обсяг пір.

Зовнішній вигляд і структура. Всі вогнетривкі вироби діляться на сорти відповідно до розроблених стандартів. Сорт вогнетривких виробів встановлюють за величиною відхилення від встановлених розмірів. кривизни, відбитості кутів, притуплення ребер, наявності окремих виплавок, ошлакованнсті, просічка і тріщин. Відхилення в розмірах допускаються в межах норм, зазначених у відповідних стандартах в залежності від сортності. Кривизна виробів визначається стрілою прогину. Очевидно, що чим більше буде кривизна, тим менш щільною виявиться кладка. Відбиті кутів і притуплення ребер також негативно впливають на якість кладки.

Виплавка є місцеве оплавлення поверхні огнеупора з утворенням «каверни». Причиною виплавок є слабке перемішування шихти при виготовленні огнеупора. У місцях виплавок відбувається швидке руйнування шлаками навіть при порівняно низькій температурі, тому число виплавок на поверхні виробу строго обмежується.

Ошлакования утворюється на поверхні виробу у вигляді наростів як результат забруднення її при випалюванні піском, глиною і т. Д. Наявність ошлакования на поверхні виробів також обмежується.

Вогнетривкий матеріал хорошої якості повинен мати в зламі однорідну будову без пустот і розшарувань. Зерна різних фракцій повинні рівномірно розподілятися по поверхні зламу. не випадаючи і просто не викрашіваясь.

При виборі того чи іншого матеріалу необхідно керуватися основними вимогами до нього в кожному конкретному випадку. Так, матеріал для стінок і склепіння плавильної печі повинен перш за все мати високу механічну міцність. Для укосів печі слід застосовувати вогнетрив, більш стійкий до дії шлаків. утворюються при даному металургійному процесі.

При виборі вогнетривів слід враховувати їх вартість. Порівняльна вартість 1 т деяких вогнетривкої цегли 1-го сорту по відношенню до вартості динасового цегли наступна:

Магнезитовий. 1, 3 -1,5