Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы – общее название веществ и товаров, которые не воспламеняются при нагревании до 1580 °C или выше. Они изготовлены на основе ряда оксидов, графита, силицида, сиалонов, нитридов и других минеральных добываемых веществ. В общем случае, они должны соответствовать следующим требованиям:

  • малая теплопроводность (в идеальном случае, обратная сторона футеровки, листа, кирпича не должна быть горячей);

  • стойкость к объемному и линейному расширению;

  • стойкость к агрессивным средам;

  • доступная цена;

  • долговечность.

Классификация огнеупорных материалов и веществ

Сегодня существует несколько вариантов классификации огнеупорных материалов. Так, например, по способу получения их делят на спечённые и плавленные. Первые изготавливают методом спекания мелких частиц, что предопределяет неоднородность их структуры. Плавленые огнеупорные изделия изготавливают методом литья, что повышает качество за счет однородности структуры, меньшего объема, отсутствия рассыпания под нагрузкой и других моментов.

В зависимости от химического состава огнестойкие вещества делят на 4 основные группы:

  • Кремнеземистые огнеупоры, состоящие на 90% и более из оксида кремния. Сюда относят динасовые изделия для футеровки печей, а также кварцевое стекло, идущее на изготовление лабораторной и термостойкой посуды.

  • Алюмосиликатные изделия, изготавливаемый на основе оксидов кремния и алюминия. В зависимости от соотношения между ними подобные вещества делят на шамотные, высокоглинозёмистые и шамотные.

  • Магнезиальные вещества, изготовленные на основе оксида магния, который при производстве подвергается обжигу при нагреве до 1900 °C. Чаще всего такие огнеупорные материалы покупают металлургические предприятия, что обусловлено как их хорошими характеристиками, так и стойкостью к контакту со шлаковыми массами и расплавленной сталью.

  • Хромистые составы, которые изготавливают из хромита, имеющего температуру плавления на уровне 2180 °C. Их преимущество состоит в хорошей стойкости к шлакам, имеющим кислую или основную среду, что делает подобные огнеупорные материалы идеальными для металлургии.

  • Углеродистые вещества, выполненные на основе свободного углерода. Огнеупорность различных видов таких материалов может достигать 3800 °C (последнее касается кристаллической разновидности графита). Это определило их сферу применения в атомной энергетике, цветной и черной металлургии и других.

По степени огнеупорности подобные вещества делят также на 4 основные группы:

  • огнеупорные (максимально допустимый нагрев до 1770 °C);

  • высокоогнеупорные (до 2000 °C);

  • высшей огнеупорности (до 3000 °C);

  • сверхогнеупорные (стойкость при температуре выше 3000 °C).

Классификация веществ в зависимости от вида

По этому параметру делят на формованные и неформованные. Первые могут представлять штучные изделия прямоугольной или сложной формы, которые отличаются по толщине, форме, размерам. Их используют для выполнения следующих работ:

  • защита ракет, самолетов, рабочих поверхностей двигателей от контакта с сильно нагретыми элементами;

  • футеровка реакторов атомных электростанций;

  • выкладка котлов тепловых электростанций;

  • возведение сводов, стен и других элементов сталеплавильных конвертеров, доменных печей.

В зависимости от количества пор все подобные изделия делят на восемь классов, начиная с особенно плотных, где пористость не превышает 3%, и заканчивая ультрапористыми, где на поры приходится 75 и более процентов объёма.

Неформованные огнеупорные материалы могут идти для создания и текущего ремонта защитных покрытий. Они имеют вид порошка или однородной массы, которую можно использовать для обмазывания поверхностей, заполнения швов между формованными элементами при выполнении кладки. Их использование обеспечивает монолитность защитного слоя, позволяет повысить пожарную безопасность и стойкость монолитных железобетонных конструкций при контакте с пламенем, когда сталь быстро теряет свою прочность.

Сфера применения

Подобные вещества используют, в основном, в сферах промышленности, где технологией предусмотрен сильный нагрев. Речь, в первую очередь, о следующих отраслях:

  • черная и цветная металлургическая промышленность;

  • машиностроение;

  • химическая промышленности;

  • сахарная промышленность;

  • стекольная промышленности и так далее.

Использование огнеупоров решает здесь одновременно несколько задач:

  • обеспечение пожарной безопасности;

  • снижение тепловых потерь при работе оборудования;

  • улучшение условий труда и предотвращение травматизма.

Основные характеристики огнеупоров

Качество готовых изделий зависит от характеристик материала. Ключевыми из них являются:

  • огнеупорность;

  • термическая стойкость;

  • химическая стойкость;

  • степень деформации при высокой температуре;

  • постоянство объема и формы;

  • пористость;

  • газопроницаемость;

  • электропроводность;

  • теплопроводность.

Рассмотрим их более подробно.

Огнеупорность

Под ней подразумевается способность выдерживать повышенную температуру без деформации под действием собственного веса. При нагреве огнеупор сначала немного размягчается из-за плавления части его компонентов. Если нагрев продолжается, то в жидкую фазу начинает переходить основной материал. Интересно, что в полный переход из твердого состояния в жидкое может наблюдаться в течение сотен градусов, поэтому ключевой характеристикой здесь является температура размягчения.

Термическая стойкость

Под этим параметром подразумевается отсутствие разрушения огнеупорного материала при резком изменении температуры, что актуально при их использовании в печах, работающих в периодическом режиме. На термическую стойкость влияет коэффициент теплопроводности, пористость, размер зерен, коэффициент расширения и некоторые другие факторы.

Для определения стойкости опытный образец выдерживают при температуре 850 °C в течение 40 минут, а затем охлаждают на воздухе либо сначала в воде, а потом на воздухе. Затем цикл повторяется. Завершается исследование при потере массы сразу на 20% (основной причиной становится откалывание отдельных кусков). Конкретное значение термической стойкости равно количеству выдержанных до этого циклов.

Химическая стойкость

Под этим параметром понимается возможность огнеупорных материалов противостоять разрушению со стороны веществ, которые образуются в печи плавления (пыль, шлаки, металл, газ, пар). Самое сильное негативное воздействие оказывают шлаки, которые могут иметь кислую, основную либо нейтральную среду. По этому фактору все огнеупоры делят на 3 группы:

  • Кислые, содержащие большое количество оксида кремния. Они хорошо выдерживают контакт с соответствующими шлаками, восстановительными и окислительными газами, но быстро разрушаются под действием основных шлаков.

  • Основные, содержащие известь, доломит, магнезит и другие щелочные окислы. Подобные огнеупоры, наоборот, хорошо выдерживают контакт с основными шлаками, но довольно быстро теряют характеристики при контакте с кислыми.

  • Нейтральные, содержащие аморфные окислы (например, хромистый железняк). Подобные материалы относительно неплохо выдерживают контакт и с кислыми, и с основными шлаками.

Степень деформации под нагрузкой

При футеровке на огнеупорные материалы оказывается сжимающее усилие, которое при повышении температуры растет. Сильная деформация вызывает ускоренное разрушение готового покрытия, поэтому этот параметр указывается в обязательном порядке. Для его практического определения используют специальные испытания, позволяющие построить график зависимости между температурой и изменением высоты тестового цилиндра.

Постоянство объема и формы

При нагреве любые вещества расширяются, а при охлаждении наоборот уменьшаются в объеме. Величина термического расширения у большинства огнеупорных изделий минимальна, но есть и некоторые исключения. Например, у шамотных кирпичей и аналогичных изделий из-за уплотнения и образования небольшого количества жидкой фазы возникает небольшая усадка, которая ведет к увеличению размеров швов в кладке. Динасовые изделия, наоборот, при нагреве увеличиваются из-за продолжения перекристаллизации, что делает швы еще плотнее.

Электропроводность

Это ключевой параметр для огнеупоров, которые используют для футеровки электрической плавильной печи. При нормальной температуре подобные изделия выступают как хорошие качественные диэлектрики, но при нагреве их электропроводность постепенно растет. Исключением являются пористые огнеупоры, у которых показатель электропроводности при нагреве наоборот уменьшается.

Теплоёмкость

Этот показатель определяет скорость охлаждения и нагрева, расходы на электроэнергию. Он важен для печей периодического действия. На практике теплоемкость огнеупоров находится в диапазоне 0,8-1,5 кДж/кг × К.

Особенности изготовления огнеупорных материалов

В состав подобных изделий кроме непосредственно сырья, имеющего высокие огнеупорные характеристики, входит ряд компонентов и пластификаторов, способствующих созданию в готовой продукции устойчивых связей и необходимой молекулярной структуры. В большинстве случаев процесс производства включает следующие этапы:

  • измельчение компонентов;

  • предварительная тепловая обработка;

  • приготовление шихты с ведением модификаторов, пластификаторов;

  • формирование штучных изделий с помощью литья, экструзии или прессования (если речь про изготовление неформованных изделий, то эта стадия отсутствует);

  • предварительная сушка для удаления лишней влаги и набора определенной начальной прочности;

  • обжигание в печи для придания прочности и формирования необходимой структуры;

  • контроль качества изделия и его упаковка.

Ключевым этапом при производстве остается процесс обжига, который включает три этапа:

  • постепенное повышение температуры, уровень которой зависит от конкретного химического состава огнеупорного материала;

  • поддержание температуры на определенном уровне в течение длительного времени;

  • постепенное охлаждение изделий.

Перед началом обжига огнеупор представляет массу крупинок или зерен. С повышением температуры появляется жидкий расплав, который смачивает и пропитывает эти крупинки, формируя плотный монолитный кристаллический сросток. Одновременно изделие приобретает высокую механическую прочность и избавляется от рыхлости. Происходит это за счет перекристаллизации состава при температуре ниже той, при которой начинается плавление.

Особенности хранения и транспортировки

На долговечность и качество огнеупоров большое влияние оказывает соблюдение правил транспортировки и хранения. Для перевозки важно укладывать изделия плотно с дополнительным расклиниванием деревянными клиньями, которые предотвращают их удары друг о друга. Если речь о порошках и мертелях, то их можно перевозить навалом, в контейнерах либо бумажных мешках.

При хранении следует учитывать, что при частых увлажнениях и высыханиях, замерзании и оттаивании характеристики огнеупорного материала для металлургии и других сфер могут сильно ухудшаться. Так, например, уже через год при хранении на свежем воздухе в зависимости от конкретного вещества, выступающего в качестве основы, сопротивление сжатию может достигать всего 30-35% первоначального. Идеальным местом для хранения огнеупорных изделий остается закрытый склад.

Использование огнеупоров в быту

Отдельную группу подобных материалов составляют бытовые изделия, которые используют в бытовых условиях. Речь о печах, саунах, банях и других помещениях, где важно оградить стены от контакта с высокой температурой. В этом случае используют ряд огнеупоров в виде плит или картона, которые дополнительно отражают тепло, защищая подобным образом стены и другие поверхности от нагрева. На практике чаще всего используют следующие:

  • Фиброцементные плиты, которые состоят из бетона с фиброй и не содержат асбестовое волокно.

  • Асбокартон, изготавливаемый на базе хризолитового асбеста и легко выдерживающий температуру до 500 °C. Дополнительно материал имеет хорошую стойкость к контакту со щелочами и механическим повреждениям.

  • Базальтовый картон или плита, которые изготавливают на основе натурального сырья. Их преимущество в возможности выдержать нагрев до 900 °C тепла и полная безопасность. Чаще всего базальтовые плиты или картон используют вместе с фольгой, которая отражает тепло.

  • Минеритовые плиты, которые относят к категории универсальных. Последнее стало возможным как за счет хорошей огнестойкости, так и бактериологической инертности, хорошей влагостойкости.

  • Стекломагниевые листы, изготавливаемый из стеклоткани, в которую добавляют в качестве связующего компонента вещества на основе магния.

Вне зависимости от ситуации подобрать подходящие огнеупорные материалы с учетом специфики эксплуатации на выгодных условиях можно в нашей компании. Мы гарантируем высокое качество всей продукции и оперативную поставку.