1.2.2.1.2 Достаточная механическая прочность при высоких
температурах
Прочностные свойства керамических материалов оцениваются пределами временной прочности при сжатии, изгибе, скручивании, растяжении, реже при сдвиге. Обычно значения этих величин заметно превышают те реальные напряжения, которые может испытывать материал в работе.
Прочность огнеупорных материалов определяется деформацией при постоянной сжимающей нагрузке 20 кПа (для плотных огнеупоров). При
45
этом определяется пластическая деформация образца и регистрируются температуры, соответствующие началу сжатия, а также 4 и 40 % сжатия.
Практически нагрузка вертикальных стен печей достигает 5-10 кПа. В сводах печей нагрузка на огнеупор выше, но не превышает испытательной.
Предельная температура применения ненагруженного огнеупора лежит между температурой начала размягчения и 4 %-го сжатия.
Таблица 1.7
Основные данные пористых огнеупорных изделий (легковесов)
Наименование огнеупора
Ср едн яя пл от
- ность
, кг
/м
3
Огнеупорность
,
Допускаемая темп ература
Коэффициент теплопроводнос ти Вт/(м-°С)
Легковесные шамоты
ШЛА-1,3
1300
1730
1400
0,407 + 0,349 -10
3
t ср
ШЛ-1,0
1000
1670
1300
0,291 + 0,256 -10-
3
t ср
ШЛ-0,9
900
1740
1270
0,279+ 0,233-10−
3
t cp
ШТЛ-0,4
270-
330
1710-730 1550
0,0582+ 0,1745-10t ср
ШТЛ-0,6
600
1630
1150
0,1047 + 0,1454 -10
3
t ср
Динасовый легковес
ДЛ-1,2
1200
1670
1550
0,547+ 0,299-10
3
t ср
Корундовый легковес КЛ-1,3
1300
1900
1500
0,837−0,349-10
3
t ср
Примечание: для легковесов на базе шамота удельная теплоемкость может приниматься равной 880 + 0,23tcp Дж/(кг-°С).
1.2.2.1.3 Достаточная термостойкость
Термостойкость — способность материала выдерживать, не разрушаясь, резкие колебания температуры. Термостойкость огнеупоров определяется путем одностороннего нагрева образцов до 1300°С и охлаждения в проточной воде (5 - 25 °С), причем норма устанавливается по количеству теплосмен, выдерживаемых образцом до потери 20 % массы. В отдельных случаях образцы нагревают до более низкой (или более высокой) температуры и охлаждают на воздухе (так называемые воздушные
46
теплосмены). Для одного и того же материала термостойкость изделий может зависеть от их формы и размера (более мелкие изделия более термостойки), структуры (более термостойки изделия с зернистой структурой), условий нагрева.
1.2.2.1.4 Сопротивляемость химическим воздействиям при нормальных и высоких температурах Химическая стойкость материала определяется его способностью противостоять растворяющему или разрушающему действию жидких, твердых или газообразных веществ. Материалы, применяемые в электропечах, должны противостоять разрушающему воздействию газов, расплавов, истирающих агентов, не должны взаимодействовать с нагревательными элементами печей или сами оказывать на них вредное разрушающее влияние.
Химическая стойкость связана с химическим составом материалов и их плотностью (проницаемостью).
1.2.2.1.5 Достаточно малые теплопроводность и теплоемкость От огнеупорных материалов требуется малая теплопроводность, так как они отделяют зону наибольших температур от окружающей среды.
Теплопроводность зависит не только от температуры, но и от кажущейся (средней) плотности. С ростом плотности теплопроводность, как правило, растет. Теплопроводность зависит от характера
пористости и теплопроводности газовой среды, в которой эксплуатируются огнеупоры, особенно для материалов с высокой пористостью. На теплопроводность керамического материала оказывает также влияние давление газовой среды
— снижение давления ведет к уменьшению теплопроводности и, наоборот, повышение давления повышает теплопроводность
(особенно у высокопористых материалов).
Малая теплоемкость огнеупоров снижает аккумулированную футеровкой теплоту и тем самым уменьшает затраты электроэнергии, особенно у печей периодического действия.
Теплоемкость не зависит от структуры и незначительно зависит от температуры.
1.2.2.1.6 Малая электрическая проводимость и достаточная электрическая прочность при низких и высоких температурах 47
Эти свойства необходимы потому, что огнеупорные материалы служат естественным изолятором, разделяющим и изолирующим токонесущие части друг от друга.
Значения электрической проводимости зависят от температуры и структуры материала. Для уменьшения поверхностной проводимости материал должен иметь минимум открытых пор, поверхность которых адсорбирует пары воды, газы, пыль и другие загрязнения.
Электрическая прочность материала связана с его структурой и температурой — в местах перегрева может возникнуть электротепловой пробой. Иногда имеет место электрохимический пробой — в случае, когда в керамическом материале при высокой температуре происходят химические явления (например, восстановление), способствующие местному снижению его электрического сопротивления, например в печах с цементационной атмосферой.
1.2.2.1.7 Низкая стоимость, технологичность изготовления Указанным требованиям в большой степени отвечают окислы различных элементов.
Основой огнеупорных материалов являются три огнеупорных окисла: кремнезем SiO2, глинозем Аl2О3 и окись магния MgO.
Огнеупорные материалы применяются в виде сплошных и пористых кирпичей и фасонных изделий. Наиболее часто применяются кирпичи размером 113х65х230 мм.
Огнеупорные материалы применяются также в виде порошка, набивных масс и обмазок, а также в виде огнеупорных бетонов.
Основные свойства огнеупорных материалов приведены в табл. 2 и 3.
Наибольшее распространение в электропечестроении получила группа алюмосиликатных огнеупоров.
Алюмосиликатные огнеупоры (шамотные, муллитокремнеземистые, сил-лиманитовые, муллитовые, корундомуллитовые) имеют нейтральную химическую природу и содержат 28 — 45 % Al2O3 в шамотных, 45 — 62 % в муллитокремнеземистых, 62 — 72 % в муллитовых, 72 — 90 % в корундомуллито-вых материалах.
Среди этой группы материалов наиболее распространены шамотные
(плотные и легковесные).
Шамотные материалы используются в воздушной атмосфере, при при- менении контролируемых атмосфер использование этих материалов ограничено.
Высокоглиноземистые огнеупорные материалы
(муллитокремнеземисто-го, муллитового и корундомуллитового составов)
могут применяться в различных атмосферах, в том числе контролируемых.
48
Огнеупорность шамотных изделий — в пределах 1600 — 1750°С.
Шамотные материалы могут служить в условиях воздействия кислых и основных шлаков, расплавов солей. Эти материалы применяются для футеровки электропечей, работающих в воздушной (слабоокислительной) атмосфере.
Изделия с пористостью более 45 % и пониженной средней плотностью (400 — 1400 кг/м
3
) относятся к легковесным. Их используют для наружной или внутренней теплоизоляции электропечей. Легковесные изделия не должны подвергаться действию расплавленных шлаков, металлов, стекла, золы, они могут также применяться в качестве промежуточной теплоизоляции в плавильных или высокотемпературных печах. Некоторые из этих материалов могут применяться в защитных углеродсодержащих атмосферах.
Муллитокремнеземистые и муллитовые изделия (плотные и легковесные) обладают огнеупорностью не ниже 1700°С. Эти изделия в качестве основной кристаллической фазы содержат муллит, связка между зернами муллита — стекло с различным содержанием кремнезема.
Материалы достаточно стойки к действию металлов, шлаков, расплавов и газов, содержат небольшое количество вредных примесей (Fe
2
O3 и щелочей), их целесообразно применять в механически нагруженном слое футеровки.
Легковесные (высокопористые) материалы не должны подвергаться действию расплавов металлов, шлаков и стекол.
Огнеупорность материалов — более 1800°С. Эти материалы в основном плотные и применяются для футеровки механически нагруженного слоя футеровки электропечей. Материалы такого типа обладают большой механической прочностью. Они могут работать в контакте с расплавами, нагретыми металлами и газами.
Корундовые огнеупоры, относящиеся к группе глиноземистых, содержат более 90 % Al
2
O3 и небольшое количество примесей (окислы кремния, железа, щелочей), имеют огнеупорность более 2000°С. Эти материалы устойчивы к действию практически всех металлов (в нагретом или расплавленном состоянии), шлаков, большинства газов, восстановительных реагентов и вакуума. Корундовые изделия механически очень прочны. Из корунда изготовляют огнеупорные изделия, которые имеют достаточную термостойкость, а также корундовую керамику более мелких и сложных фасонов. Добавка к корунду некоторых окислов (TiO
2
,
ZrО
2
и др.) позволяет регулировать технические свойства изделий. Изделия из плотного корунда применяются в электропечах: высоко температурных, вакуумных, водородных, плавильных, нагревательных, для химико- термической обработки и др. Температура применения корундовых мате- риалов близка к их огнеупорности (1900 — 1950°С). Корундовые огнеупоры выпускаются плотных и легковесных разновидностей.
49
Группа кремнеземистых огнеупоров включает динасовые и кварцевые огнеупоры.
Динасовые огнеупорные изделия содержат не менее 93 % 8Юа.
Футеровка из этих изделий является кислой, т. е. устойчивой к кислым шлакам, стеклам и реагентам, и характеризуется огнеупорностью не ниже
1690°С. Главные области их применения: стекловаренные электропечи, своды электропечей, а также коксовые, стекловаренные газовые печи и регенераторы мартеновских печей. Динас может применяться в обжигательных печах, где температуры слишком высоки для применения шамотных изделий. Изделия, содержащие 93 % и
более кремнезема, отличаются высокой температурой деформации (1600 - 1650°С), что способствует их использованию в сводах печей, а также дополнительным ростом размеров при работе.
Легковесный динас не взаимодействует при 1450°С с пеношамотом, полукислыми, каолиновыми, высокоглиноземистыми, хромомагнезитовыми, магнезитовыми и форстеритовыми огнеупорными материалами. Он применяется для сводов с большим пролетом при 1450°С, в том числе для печей периодического действия.
Важным свойством динаса является то, что в отличие от остальных огнеупорных материалов, у которых механическая прочность снижается с повышением температуры, динас сохраняет высокую механическую прочность до температуры плавления. Недостатком этого материала является низкая термостойкость.
Большая группа так называемых
магнезиальных огнеупоров имеет в своем составе периклаз (окись магния MgO), обладающий значительной устойчивостью к агрессивному воздействию металлов, окислов железа и основных металлургических шлаков. Магнезиальные изделия отличаются высокой огнеупорностью (выше 2000°С).
Магнезиальные изделия применяют для подин и стен электростале- плавильных печей, миксеров и других агрегатов. Эти изделия характеризуются малой термической стойкостью и разрушаются при резких температурных перепадах. Для повышения термической стойкости в их состав вводят некоторое количество ( 5 - 8 %) глинозема (Аl
2
О3). Еще более термостойкие изделия получаются при введении в состав материалов хромита
(Сr
2
О3).
Магнезитошпинелидную группу образуют периклазохромитовые, хроми-топериклазовые, хромитовые и периклазошпинелидные огнеупоры.
Хромитопериклазовые (хромомагнезитовые) изделия применяют для электросталеплавильных печей. Периклазохромитовые изделия, обладающие высокой шлакоустойчивостью и хорошей термостойкостью, используются в сводах сталеплавильных, медеплавильных, нагревательных и других печей.
50
Особо высокой термостойкостью отличаются плотные магнезитохромитовые изделия с пористостью 16 % и ниже.
Материалы этой группы не используются в электропечах с контро- лируемыми газовыми атмосферами, так как входящий в их состав хромит подвергается восстановлению. Указанные материалы выпускаются только плотных разновидностей.
В ряде случаев в электропечах сопротивления применяются карбидкрем-ниевые (карборундовые) изделия. К ним относятся изделия с содержанием карбида кремния (SiC) более 70 %. Карбидкремниевые огнеупоры имеют огнеупорность выше 1850°С, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, термостойкость, стойкость к абразивному воздействию, не смачиваются некоторыми металлами, обладают высокой механической прочностью в холодном и нагретом состояниях. Материалы, содержащие большое количество карбида или нитрида кремния, кислотоупорны и стойки к высокотемпературной деформации, но разрушаются восстановителями, в том числе основными шлаками и щелочами, окисляются на воздухе при температуре выше 1450°С. Эти материалы применяются в
воздушной или инертной атмосфере - там, где тре- буются большие износостойкость, теплопроводность и термостойкость изделий, они могут применяться в контакте с материалами алюмосиликатной группы, с которыми карбид кремния не взаимодействует.
Определенное применение для высокотемпературных печей нашли огнеупоры цирконистой группы (бакелитовые, цирконовые).
В состав этих огнеупоров входят двуокись циркония (ZrO
2
) или силикат циркония (циркон - ZrSiО4). Материалы этого типа обладают высокой огнеупорностью (выше 2000°С), они химически устойчивы и мало теплопроводны. Цирконовые изделия сохраняют постоянство объема при высоких температурах, имеют стойкость против деформаций при высоких температурах, термостойки, стойки к воздействию каменноугольных и коксовых шлаков, шлаков и расплавов черных и цветных металлов, расплавленных хлоридов, фосфорнокислого натрия, шлаков закалочных печей с соляной ванной. Цирконовые изделия разрушаются фтором, фосфорным ангидридом, стекольным расплавом, окислами железа и мартеновскими шлаками. Огнеупоры на основе двуокиси циркония с добавками муллита или корунда (бакоровые, муллитоциркониевые), полученные литьем из расплава, химически стойки, особенно против действия стекол. Муллитоциркониевые изделия стойки также к действию окислов железа. Чистая двуокись циркония (без добавок других окислов) применяется в качестве высокотемпературной теплоизоляции.
На основе ZrO
2
промышленностью выпускаются плавленолитые огнеупоры: бакор-33, бакор повышенной чистоты, муллитоциркониевые,
51
циркониевые огнеупоры, стабилизированные окисью кальция или окисью иттрия.
В отдельных случаях в качестве огнеупоров применяются угольные и графитовые изделия, например для футеровки руднотермических печей. Из указанных материалов изготовляются тигли. Материалы термостойки, механически прочны, имеют высокую теплопроводность и электрическую проводимость; они не могут работать в окислительной атмосфере.
Для специальных высокотемпературных печей нашли применение изделия из окислов редких металлов - окиси тория, окиси бериллия, а также нитриды бора, карбиды бора, хрома, ванадия, вольфрама, молибдена.
1.2.2.2 Огнеупорные растворы, бетоны, набивные массы и обмазки Огнеупорные растворы - мертели - используются для заполнения швов огнеупорного слоя футеровки.
Требования к готовому шву по огнеупорности, механической прочности и другим свойствам должны быть такими же, как и к основному огнеупорному материалу. Для шамотных мертелей применяются тонкомолотые смеси шамота с огнеупорной глиной.
В случае работы раствора при температурах ниже 1000°С для лучшего сцепления с кирпичом и большей прочности добавляется жидкое стекло.
Имеются различные классы шамотных мертелей, предназначенных для использования на соответствующих уровнях температуры.
Для динасовых растворов применяются смеси из молотого кварцита, боя динасовых кирпичей и огнеупорной глины; в раствор добавляется жидкое стекло.
Огнеупорные массы — бетоны, набивные массы — служат для изго- товления целых монолитных частей футеровок.
Имеются огнеупорные бетоны со связующими - гидравлически твер- деющим глиноземистым цементом, портландцементом или жидким стеклом, и заполнителями - шамотным порошком, хромитом или хромомагнезитом, для легковесных бетонов в качестве заполнителя используется молотый пористый порошок. Эти бетоны применяются в печах с максимальной рабочей температурой до 1300°С. Имеются хромистые бетоны, применяющиеся до 1500°С.
Технология приготовления огнеупорных бетонов такая же, как и обычных строительных бетонов.
Набивные массы используются, как правило, в дуговых и индукционных плавильных печах. При их изготовлении используются смоляные связки, которые коксуются и затвердевают при температурах
52
выше 500°С, а в случае использования жидкого стекла - при нормальной температуре.
1.2.3 Теплоизоляционные материалы К теплоизоляционным материалам, которые предназначены для уменьшения тепловых потерь электропечи, предъявляются следующие требования: малая теплопроводность, малая удельная теплоемкость, определенная огнеупорность, определенная механическая прочность, дешевизна и доступность.
Теплоизоляционные материалы изготовляются в виде жестких и полужестких изделий - кирпичей, плит, скорлуп, сегментов, матов; в виде мягких и полумягких изделий - ваты, войлока, ткани, картона, бумаги и т. п., или в виде засыпок - кускового дробленого материала.
Пористая (и как частный ее случай - ячеистая) структура материала образуется при вспучивании материала. Для этой цели могут быть использованы выгорающие (органические) добавки,
пористые заполнители, введение пены, вспучивание при термообработке, введение газообразователей (газообразование при нагреве или при химическом взаимодействии). Пористые материалы изготовляются обычно в виде жестких и полужестких формованных и неформован-ных (мастики, бетоны) изделий или в виде пористых засыпок.
Волокнистые материалы изготовляются из стеклообразных поли- кристаллических или монокристаллических волокон. Стеклообразные волокна получают из расплавов природных (горные породы, минералы) или искусственных (стекла, смеси, шлаки и др.) материалов путем вытягивания нитей, или воздушным, или паровым раздувом расплава.
В качестве теплоизоляционного материала используются диатомит и трепел, представляющие собой скопление скелетов мельчайших водорослей.
Эти материалы имеют малую среднюю плотность и теплопроводность. Они применяются в виде засыпки, порошка или из них изготовляют кирпичи.
Диатомитовые кирпичи могут применяться до 900°С. Они изготовляются со средней плотностью 500, 600 и 700 кг/м
3
Большое количество теплоизоляционных материалов изготовляется на базе асбеста, представляющего собой минерал волокнистого строения.
Волокна очень прочны на растяжение, но легко перетираются.
Распушенный асбест используется в виде теплоизоляционной засыпки и называется асбеститом. В таком виде асбест может работать до 600°С.
53
Вообще температура плавления асбеста 1500°С, но при 700°С он теряет свои теплоизоляционные свойства, рассыпаясь вследствие удаления из него воды.
Из асбеста склеиванием волокон белой глиной и дальнейшим прес- сованием получают асбестовый картон и бумагу, из него получают также асбестовых шнур.
Известны материалы, в которые асбест входит как составная часть.
Это асбозурит, новоасбозурит (кроме асбеста в их состав входят диатомит или тренол, шиферные отходы), асбослюда, асбозонолит (кроме асбеста в их состав входят диатомит, слюда и обожженная слюда - зонолит). Из этих материалов изготовляют изделия плотностью 700 - 750 кг/м
3
, их теплопроводность относительно высока, они применяются до 250 - 300°.
Более эффективными являются теплоизоляционные асбомагнезиальные материалы, например, состоящий из 15 % распушенного асбеста и 85 % смеси двойной углекислой соли кальция и магния. Из этих материалов изготовляют плиты, сегменты, но они непрочны, достаточно дороги, применяются до 350 - 500°С.
Более дешевыми являются известковотрепельные запарные массы, в состав которых входят диатомит или трепел, известь, асбест. Благодаря наличию извести и выпариванию воды получается пористая структура плотностью 350 - 400 кг/м
3
. Температура их применения ограничивается
600°С. К этой же группе изделий можно отнести асбестоцементные, асбовермикулитовые, зонолитовые плиты, имеющие достаточно низкий коэффициент теплопроводности и высокую температуру применения (до
1100°С).
Перлитовые материалы получают вспучиванием при температуре до
1000°С природного материала перлита. Например, перлиталь - это вспученный перлит и огнеупорная глина. Перлитовые материалы используются в виде засыпок, кирпичей, блоков. Плотность их — от 300 до
500 кг/м
3
, температура применения 900°С.
Широкое применение получили волокнистые материалы,
которые обладают эластичностью, трещиноустойчивостью и термостойкостью, значительной прочностью, малой плотностью и малой теплопроводностью.
Температура длительного применения волокнистых материалов определяется составом волокон.
С применением волокон того или иного состава изготовляются следующие теплоизоляционные изделия: рулонированный войлок, маты, плиты, скорлупы, цилиндры, ткань, шнур, картон, бумага и т. п. Применение изделий, содержащих волокно, позволяет существенно снизить материалоемкость футеровки, упростить ее конструкцию, снизить тепловые потери. Химическая устойчивость волокнистой теплоизоляции зависит от
54
состава волокна и связки. Так, минеральное, кремнеземистое и шлаковое волокна рекомендуется применять только в окислительной или нейтральной атмосфере, каолиновое и высокоглиноземистое - в окислительной и восстановительной атмосфере, оксидное (глиноземистое, циркониевое) - практически в любой (кроме фтора) атмосфере или в вакууме. Керамические алюмосиликатные и оксидные волокна стойки к действию воды, водяного пара и масел, негигроскопичны (влажность их не более 0,2 %), стойки к большинству минеральных кислот и щелочей (кроме плавиковой, фосфорной и сильных щелочей), не смачиваются расплавами цветных металлов и их сплавов, имеют хорошую фильтрующую способность, биостойки. Температура применения волокон на воздухе: минерального волокна 750, шлакового 600, стеклянного 400, кремнеземистого 1000 - 1100, каолинового 1150, высокоглиноземистого с добавкой окиси хрома 1450, муллитового 1450, циркониевого - до 2000°С.
Скачать 7.73 Mb.