Основными свойствами огнеупорных материалов являются:
- Огнеупорность. Огнеупорностью называется способность материалов выдерживать высокие температуры, не деформируясь под действием собственного веса. Классификация по огнеупорности:
– огнеупорные (огнеупорность от 1580 до 1770 ° С);
– высокоогнеупорные (от 1770 до 2000 ° С);
– высшей огнеупорности (более 2000 ° С);
- Термическая стойкость. Термической стойкостью называется способность огнеупоров не разрушаться при резких изменениях температуры;
- Химическая стойкость. Под химической стойкостью огнеупорных материалов понимается способность их противостоять разрушению от химического и физического воздействия образующихся в печи продуктов — металла, пыли, золы, паров и газов;
- Теплопроводность. В зависимости от целей, для которых используется огнеупор, теплопроводность его должна быть высокой или низкой;
- Шлакоустойчивость. Зависит от скорости химических реакций огнеупора со шлаком и от вязкости шлака;
- Электропроводность. Электропроводность является определяющим параметром огнеупоров, применяемых для футеровки электрических печей;
- Теплоемкость. Теплоемкость огнеупоров определяет скорость нагрева и охлаждения футеровки и затраты тепла на нагрев;
- Плотность и пористость. Плотность материала — это отношение массы образца к занимаемому им объему за вычетом объема пор. Чем плотнее кирпич, тем он менее порист, и наоборот. Классификация по пористости:
– особоплотные (открытая пористость до 3 %);
– высокоплотные (открытая пористость от 3 до 10 %);
– плотные (открытая пористость от 10 до 16 %);
– уплотненные (открытая пористость от 16 до 20 %);
– среднеплотные (открытая пористость от 20 до 30 %);
– низкоплотные (пористость от 30 % до 45 %);
– высокопористые (общая пористость от 45 до 75 %);
– ультрапористые (общая пористость более 75 %);
- Газопроницаемость. Газопроницаемость зависит от природы огнеупора, величины открытой пористости, однородности структуры изделия, температуры и давления газа.
По методу формования шамотные огнеупорные изделия разделяются на:
- литые из шликера;
- формованные пластичным или полусухим способом;
- плавленые;
- термопластичнопрессованные;
- горячепрессованные.
По технологии термообработки кирпич может быть:
- безобжиговым;
- обожженным (спеченным в печи);
- плавленолитым.
Огнеупорные материалы имеют много областей применения. Они применяются в металлургической (до 60% всего объёма выпускаемых огнеупоров), машиностроительной, стекольной, сахарной, химической промышленности, а также во всех других отраслях, где проходит работа с применением доменных, шахтных и вращающихся печей. Применяются они и в жилищно-коммунальном хозяйстве при строительстве бань и котельных. В последнее время огнеупоры широко стали применять в быту при кладке печей и каминов.
В соответствии с ГОСТом 28874-2004 в зависимости от химико-минерального состава огнеупоры классифицируются на следующие типы и группы
| Тип огнеупоров | Группа огнеупоров |
|---|---|
| 1 Кремнеземистые | Из кварцевого (кремнеземистого) стекла |
| Динасовые | |
| Динасовые с добавками | |
| Кварцевые | |
| 2 Алюмосиликатные | Полукислые |
| Шамотные | |
| Муллитокремнеземистые | |
| Муллитовые | |
| Муллитокорундовые | |
| Из глиноземокремнеземистого стекла | |
| 3 Глиноземистые | Корундовые |
| Корундовые с добавками | |
| 4 Высокомагнезиальные | Периклазовые |
| 5 Магнезиальносиликатные | Периклазофорстеритовые |
| Форстеритовые | |
| Форстеритохромитовые | |
| 6 Магнезиальношпинелидные | Периклазохромитовые |
| Хромитопериклазовые | |
| Хромитовые | |
| Периклазошпинелидные | |
| Периклазошпинельные | |
| Шпинельные | |
| 7 Магнезиальноизвестковые | Периклазоизвестковые |
| Периклазоизвестковые стабилизированные | |
| Известковопериклазовые | |
| 8 Глиноземоизвестковые | Алюминаткальциевые |
| 9 Известковые | Известковые |
| 10 Хромистые | Корундохромоксидные |
| Хромоксидкорундовые | |
| Хромоксидные | |
| 11 Цирконистые | Оксидциркониевые |
| Бадделеитокорундовые | |
| Цирконовые | |
| Корундооксидцирконийсиликатные | |
| Корундохромоксидцирконийсиликатные | |
| Периклазооксидцирконийсиликатные | |
| 12 Углеродистые | Графитированные |
| Угольные | |
| 13 Оксидоуглеродистые | Кремнеземоуглеродистые |
| Шамотноуглеродистые | |
| Алюмоуглеродистые | |
| Корундокарбидкремнийуглеродистые | |
| Периклазоуглеродистые | |
| Шпинельнопериклазоуглеродистые | |
| Периклазошпинельноуглеродистые | |
| Алюмопериклазоуглеродистые | |
| Периклазоизвестковоуглеродистые | |
| Известковоуглеродистые | |
| 14 Карбидкремниевые | Карбидкремниевые |
| Карбидкремнийсодержащие | |
| 15 Оксидные | Оксидные |
| Кислородсодержащие | |
| 16 Бескислородные | Бескислородные |
Рассмотрим некоторые характеристики и области применения огнеупоров из выше приведённой таблицы.
- Кремнеземистые.
Самые распространённые кремнеземистые изделия – это динасовые. Изготовляются из кремнезёмистых пород, главным образом кварцитов, с добавкой 2—2,5% извести. Сырую породу измельчают и смешивают с известковым молоком, изделия формуют на прессах, сушат и обжигают при 1400—1460°С Динас содержит более 93% SiO2 и относится к кислым огнеупорам. Обладает высокой строительной прочностью, высокой температурой начала деформации под нагрузкой и соответственно рабочей температурой службы 1650–1700 °С. Устойчив к воздействию кислых расплавов и газовых сред, но не выдерживает контакта с основными расплавами металлов и их оксидов. Термостойкость динаса по стандартной методике не превышает 1-2 водяных теплосмен. Однако, если колебания температуры происходят в области значений выше 300 °С и особенно выше 600 °С, то термостойкость динаса исключительно высока.
Динас широко применяют для изготовления высокотемпературной части насадки доменных воздухонагревателей и регенераторов нагревательных колодцев, для кладки распорных сводов.
Изготавливаются динасовые изделия в соответствии со следующими ГОСТами:
ГОСТ 4157-79 Изделия огнеупорные динасовые.
ГОСТ 3910-75 Изделия огнеупорные динасовые для кладки стекловаренных печей.
ГОСТ 1566-96 Изделия огнеупорные динасовые для электросталеплавильных печей
- Алюмосиликатные (шамотные).
- Глиноземистые.
Сырьём для изготовления этого кирпича служат огнеупорные, и тугоплавкие глины, характеризующиеся высоким содержанием оксида алюминия Al2O3 или глинозёма. С высокой связующей способностью и пластичностью, они служат сырьём для различных керамических производств, в первую очередь для производства санитарно-технического фаянса, огнеупорных и кислотоупорных изделий. Оксид алюминия Al2O3 — в природе распространён как глинозём. По названию становится понятно, что изделия из глинозёма имеют высокое содержание глины. Они хорошо сопротивляются влиянию щелочей, хорошо реагируют на различные температурные скачки. Достаточно легко изготавливаются и широко распространены в местах, где предполагается температура от 1000°С до 1800°С.
По содержанию оксида алюминия Al2O3 огнеупоры относят к следующим группам:
- Полукислые 10-28%
- Шамотные 28-45%
- Муллитокремнеземистые Св. 45 %
- Муллитовые 62-72%
- Муллитокорундовые 72-95%
- Корундовые Св. 95%
Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% Al2O3. Обладает высокой термостойкостью (10-20 водяных теплосмен), но низкой шлакоустойчивостью. Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 °С, для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки. Не выдерживает истирающего действия при высоких температурах.
Шамотный кирпич, без сомнения, является самым широко используемым и распространённым огнеупорным изделием. В последнее время, кроме промышленности, он активно используется в частном домостроении. Его применяют при изготовлении многих бытовых тепловых агрегатов: различных печей (от русской до банной); каминов; барбекюшниц , сандалов, тандыров и т.д.
Изготавливаются шамотные изделия по многим ГОСТам, но всегда в названии марки присутствует буква Ш. Шамотный кирпич общего назначения производят, относительно физико-химических показателей, в соответствии с ГОСТом 390-96, а по форме и размерам по ГОСТу 8691-73. Только по последнему ГОСТу существует 111 типоразмеров кирпича. Формы кирпича бывают разные: прямой (в том числе, плита и брус); клиновой; трапецеидальный; пятовый; оконный; подвесной; горелочный и лекальный. По физико-химическим показателям самые распространённые марки – ША и ШБ. У шамотного кирпича марки ША массовая доля Al2O3 составляет не ниже 30 %, а у ШБ не ниже 28% и, соответственно, огнеупорность кирпича марки ША выше, чем марки ШБ.
Ниже на фото представлены некоторые шамотные изделия с номером согласно ГОСТу 8691-73.
- Высокомагнезиальные.
Периклаз (или магнезит) содержит не менее 89% MgO. Температура начала размягчения под нагрузкой значительно ниже огнеупорности. Максимальная рабочая температура 1700 °С. Термостойкость изделий невысока и составляет 1-2 водяных теплосмены. Шлакоустойчивость по отношению к основным расплавам – металлам и шлакам, богатым оксидами металлов и известью, исключительно высока. Поэтому периклазовые кирпичи используются для кладки элементов печей черной и цветной металлургии, которые контактируют с расплавами металлов и основных шлаков. Изготавливается этот кирпич в соответствии с ГОСТом 4689-94. Конкретно по маркам:
П-89 – применяется для кладки подин, откосов и стен мартеновских печей преимущественно выше шлакового пояса;
П-90 — применяется для кладки подин, откосов и стен мартеновских и электросталеплавильных печей, а также нижних рядов подин ферросплавных печей и кладки миксеров;
П-91 — применяется для кладки подин, откосов и стен мартеновских и электросталеплавильных печей, футеровки подин и стен ферросплавных печей.
Магнезитовый порошок используют для заполнения швов при кладке подин плавильных печей. Изготавливается по ГОСТу 1216-87. Марки: ПМК-90; ПМК-87; ПМК-83; ПМК-75; ПМКМК-80; ПМКМК-75.
- Магнезиальносиликатные.
Огнеупорной основой этих изделий служит минерал форстерит 2MgO*SiO2. Разновиднвостью форстеритовых огнеупоров являются периклазофорстеритовые и форстеритохромитовые изделия, в которых наряду с основным компонентов (форстеритом) содержатся периклаз и хромит.
Производят эти изделия в соответствии с ГОСТом 14832-96.
В зависимости от химико-минералогического состава и термической обработки изделия подразделяют на марки.
| Марка изделия | Характеристика | Применение |
|---|---|---|
| Ф1 | Изделия форстеритовые обожженные | Для кладки насадок, стен и сводов регенераторов мартеновских печей, работающих в повышенном режиме интенсификации (интенсивность продувки кислородом св. 3000 м3/ч) |
| Ф | Изделия форстеритовые обожженные | Для кладки насадок, стен и сводов регенераторов, стен и сводов шлаковиков мартеновских печей, работающих в умеренном режиме интенсификации (интенсивность продувки кислородом до 3000 м3/ч) и без применения кислорода, а также для других тепловых агрегатов |
| ФД | Изделия форстеритовые обожженные с повышенным содержанием дунита | |
| ФБ | Изделия форстеритовые безобжиговые | Для кладки стен шлаковиков мартеновских печей, нагревательных колодцев и других тепловых агрегатов, верхних рядов насадок регенераторов мартеновских и других печей |
| ФХ | Изделия форстеритохромитовые обожженные | Для кладки насадок, стен и сводов регенераторов, стен и сводов шлаковиков мартеновских печей |
- Магнезиальношпинелидные.
Эти изделия, содержат шесть групп: периклазохромитовые — свыше 60% MgO, 5 — 18% Cr2O3; хромитопериклазовые — 40 — 60% MgO, 15 — 30% Сr2O3; хромитовые — до 40% MgO, свыше 25% Сr2О3; периклазошпинелидные — 40- 80% MgO, 15-55% Al2O3; периклазошпинельные – 50-85% MgO, 4-8% Al2O3. шпинельные — 25-40% MgO, 5-70% Al2O3.
Периклазохромитовые и хромитопериклазовые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и хромит Cr2O3. Свойства этих огнеупоров существенно отличаются от периклазовых и зависят от соотношения хромита и магнезита. Максимальная термостойкость соответствует отношению Cr2O3:MgO = 30:70. Шлакоустойчивость выше при содержании хромита 20 %. В сводах сталеплавильных печей наибольшую стойкость имеют изделия с содержанием хромита 20-30 %. Они изнашиваются из-за образования трещин и сколов, к которым приводят термические напряжения, возникающие при колебании температуры в рабочем пространстве печи.
Периклазохромитовый кирпич изготавливается в соответствии с ГОСТом 10888-93 Используется для кладки сводов сталеплавильных печей.
Марки: ПХСП; ПХСУТ; ПХСУ; ПХСС; ПХССТ.
Хромитопериклазовый кирпич изготавливается в соответствии с ГОСТом 5381-93. Конкретно по маркам:
ХП-1 –применяется для сводов мартеновских печей, сводов малотоннажных дуговых электропечей и тепловых агрегатов с тяжёлыми условиями службы;
ХП-2 – применяется для сводов электросталеплавильных печей и других тепловых агрегатов, работающих при температуре 1700-1750°С;
ХП-3 и ХП-4 — применяется для кладки тепловых агрегатов, работающих при температуре 1500-1700°С;
ХП-5 — применяется для кладки тепловых агрегатов различных отраслей промышленности, работающих при температуре до 1500°С.
Кирпич высокоогнеупорный для футеровки вращающихся печей изготавливается в соответствии с ГОСТом 21436-75.
Хромитопериклазовый ХПЦ – применяется для кладки периферийных участков зоны спекания вращающихся печей диаметром 3,6м и менее, работающих по мокрому способу;
Периклазохромитовый ПХЦ – применяется для кладки центральных участков зоны спекания вращающихся печей диаметром 3,6м и более, работающих по мокрому способу, печей диаметром менее 3,6м, работающих по сухому способу, а также периферийных участков печей, работающих по сухому способу.
Кроме кирпичей, изготавливаемых по ГОСТу, существует большое количество марок кирпича выпускаемых в соответствие с ТУ в основе, которых содержатся MgO и хромит Cr2O3. Например, кирпич хромитопериклазовый термостойкий для футеровки тепловых агрегатов цветной металлургии, марок ХПТУ и ХПТС, и другие.
Основой для производства периклазошпинелидных, периклазошпинельных и шпинельных изделий является спеченный периклаз MgO и плавленная алюмомагнезиальная шпинель. Эти изделия выпускаются в соответствии с ТУ и применяются для футеровки тепловых агрегатов в черной, цветной металлургии и вращающихся печей цементной промышленности.
- Магнезиальноизвестковые.
Магнезиальноизвестковые изделия изготавливают на основое оксидов магния и кальция — МgО и СаO. Огнеупоры магнезиально-известковые используют в черной металлургии (в мартеновском, электросталеплавильном, конверторном производствах) благодаря их высокой устойчивости к воздействию жидкой стали и шлака.
- Глиноземоизвестковые.
Глинозёмоизвестковые огнеупоры содержат в своём составе свыше 65% Al2O3 и от 7 до 35% СаО. Именно к этим огнеупорам относится глиноземистый цемент, состоящий преимущественно из алюминатов кальция. Это высокопрочный и быстротвердеющий на воздухе и в воде цемент, предназначенный для приготовления строительных растворов, а так же для производства жаростойких бетонов.
- Известковые.
Известковые огнеупоры изготавливают на основе оксида кальция с содержанием CaO не менее 85% по массе. Сырьем для производства служат природные горные породы — мел, известняк, а также химически переработанные материалы — металлический или углекислый кальций, гидроксид кальция. У известковых огнеупоров высокая температура плавления и высокая термостойкость. По химической стойкости и шлакоустойчивости это одни из лучших огнеупоров.
- Хромистые.
Огнеупоры этой группы содержат минерал хромит РеО?Сr2О3. Отличительной чертой этих огнеупоров является шлакоустойчивость и нейтральность.
- Цирконистые.
Цирконистые огнеупоры — огнеупоры, на основе бадделеита ZrO2 и циркона (ZrSiO4). Цирконистые огнеупоры отличаются высокой огнеупорностью (до 2600°С), хорошей стойкостью при взаимодействии с расплавами металлов и шлаков, высокой прочностью при 2200-2400°С, и высокой термостойкостью.
- Углеродистые.
Углеродистый кирпич представляет собой спрессованный кокс или графит. Он содержат до 92 % С, обладает самой высокой огнеупорностью, до 3500 °С. Он не получил широкого распространения и используется в промышленных печах требующих самых высоких температур. Углеродистый кирпич не смачивается расплавами и поэтому устойчив против них, имеет высокую термостойкость, но начинают окисляться в продуктах горения топлива при температуре 600 °С. Поэтому их используют для службы в восстановительной среде: в электрических печах для производства ферросплавов, алюминия, свинца, для кладки лещади доменных печей,, в качестве припаса для разливки металлов, для изготовления электродов дуговых плавильных печей.
- Оксидоуглеродистые.
Оксидоуглеродистые огнеупоры изготавливаются в соответствии с ГОСТом Р 53933-2010 и предназначены для футеровки рабочего слоя сталеразливочных печей, печей-ковшей для внепечной обработки стали и других агрегатов сталеплавильного производства. Среди широкой гаммы огнеупоров этой группы, наибольшее распространение получили изделия периклазоуглеродистые, изготовленные на основе плавленого периклаза.
- Карбидкремниевые.
Карбидкремниевые огнеупоры изготовляются из карбида кремния (карборунда) с добавками и содержат от 20—35 до 70—98% SiC. Эти огнеупоры различаются по способу связывания зёрен карбида кремния: на кремнезёмистой (образующейся при окислении карбида), нитридной (Si3N4), и алюмосиликатной связках. Карбидкремниевые огнеупоры изготавливают в соответствии с ГОСТом 10153-70. Огнеупоры этой группы обладают высочайшей термической стойкостью, отличной теплопроводностью, механической прочностью в нагретом состоянии, способностью не смачиваться и не реагировать со многими цветными металлами, инертность к большинству кислот и оснований. Применяются при производстве цветных металлов, в печах термической обработки стали машиностроительной отрасли, химической и электронной промышленности, в порошковой и черной металлургии. Из-за своей механической прочности в нагретом состоянии карбидкремниевые плиты на алюмосиликатной связке марки КА применяется для кладки рабочей части пода в электропечах, а плиты на основе нитридной связки марки КН в качестве направляющих для электропечей с цементационной средой.
Среди карбидкремниевых огнеупоров особо следует выделить группу карбидкремниевых нагревателей (КЭН). КЭН получают путём спекания высокочистого крупнозернистого карбидкремниевого порошка при температуре свыше 2400оС. Они представляют собой огнеупорные неметаллические изделия в форме трубки или круглого стержня. Карбидкремниевые нагреватели применяются в электропечах периодического и непрерывного действия.
- Оксидные.
Оксидные огнеупоры, содержащие > 97 % высокоогнеупорных оксидов (BeO, MgO, CaO, Al2O3, Cr2O3, ZrO2, ThO2 и др.) или их соединений и твердых растворов. Формованные оксидные огнеупоры изготовляют преимущественно из тонкозернистых порошков прессованием или литьем из суспензий с последующим обжигом, а неформованные оксидные огнеупоры — измельчением оксидов, обычно после предварительного обжига, и введения необходимых добавок. В металлургии оксидные огнеупоры применяют в виде изделий из технической керамики для аппаратуры при измерении высоких температур, датчиков контроля масс, доли кислорода в стали, тиглей для лабораторных плавильных печей, вкладышей в разливочных устройствах.
- Бескислородные.
Бескислородные огнеупоры изготовливаются из тугоплавких бескислородных соединений: карбидов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов. Технология бескислородных огнеупоров включает приготовление порошков бескислородных соединений, формование из них изделий с добавлением связки и последующим обжигом при высоких температураx. Применение бескислородных огнеупоров при высоких температураx в окислительной атмосфере ограничено.