Кіріспе

Жоғары температурада ыдырауға төзімді материалдар
Жылуға төзімділік

Материалдар ғылымында отқа төзімді (немесе отқа төзімді материал) – жылу немесе химиялық әсерге ыдырауға төзімді, жоғары температурада беріктігі мен қатаңдығын сақтайтын материал. Олар органикалық емес, металл емес қосылыстар, олардың құрылымы тесікті немесе тесіксіз болуы мүмкін, ал кристаллистік құрылымы әртүрлі: кристаллды, поликристаллды, аморфты немесе құрастырылған болуы мүмкін. Олар әдетте кремний, алюминий, магний, кальций, бор, хром және цирконий элементтерінің оксидтерінен, карбидтерінен немесе нитридтерінен тұрады. Көптеген отқа төзімді материалдар керамика болып табылады, бірақ графит сияқты кейбіреулері емес, ал саз қыш сияқты кейбір керамикалар отқа төзімді материалдарға жатпайды. Отқа төзімді металдар – жоғары балқу температурасы бар элементтік металдар мен олардың қорытпалары. ASTM C71 стандарты бойынша қатты отқа төзімді материалдар – "оларды көрсетілген ортаға ұшыраған конструкциялар үшін немесе жүйелердің құрамдас бөліктері ретінде қолдануға мүмкіндік беретін химиялық және физикалық қасиеттері бар металл емес материалдар" деп анықталады. Отқа төзімді материалдар пештерде, обжег пештерде, инсинераторларда және реакторларда қолданылады. Сондай-ақ, отқа төзімді материалдардан шыны мен металл құюға арналған тигельдер мен қалыптар жасалады. Темір және болат өнеркәсібі мен металл құю салалары өндірілген отқа төзімді материалдардың шамамен 70% -ын пайдаланады.

Жарық өткізбейтін материалдар

Жарық өткізбейтін материалдар жоғары температурада химиялық және физикалық тұрақты болуы керек. Қызмет ететін ортаға байланысты, олар жылулық соққыға төзімді, химиялық инерт болуы керек және/немесе жылу өткізгіштігінің және жылулық кеңею коэффициентінің белгілі бір диапазондарына ие болуы керек. Алюминийдің (алюмина), кремнийдің (кремнезем) және магнийдің (магнезия) оксидтері отқа төзімді материалдарды өндіруде қолданылатын ең маңызды материалдар болып табылады. Отқа төзімді материалдарда жиі кездесетін тағы бір оксид – кальцийдің оксиді (әктас). Отқа төзімді материалдарды жасауда от балшықтары да кеңінен қолданылады. Отқа төзімді материалдарды олардың жұмыс жағдайларына сәйкес таңдау қажет. Кейбір жағдайларда арнайы отқа төзімді материалдар қажет болады. Цирконий материал өте жоғары температураға төтеп беруі керек болғанда қолданылады. Кремний карбиді және көміртек (графит) – өте қиын температуралық жағдайларда қолданылатын тағы екі отқа төзімді материал, бірақ оларды оттегі бар ортада қолдануға болмайды, себебі олар тотығып, жануы мүмкін. Тунгстен карбиді немесе бор нитриді сияқты екілік қосылыстар өте отқа төзімді болуы мүмкін. Гафний карбиді – 3890 °C балқу температурасы бар ең отқа төзімді екілік қосылыс. Тантал-гафний карбидінің үштік қосылысы барлық белгілі қосылыстардың ең жоғары балқу температурасының біріне ие (4215 °C). Молибден дисилицидінің балқу температурасы жоғары – 2030 °C және ол көбінесе қыздыру элементі ретінде қолданылады.

Қышқылға төзімді материалдар

Қышқылға төзімді материалдар әдетте қышқыл материалтарға өткізбейді, бірақ негізгі материалдармен оңай әрекеттеседі, сондықтан олар қышқыл ортада қышқыл шлакпен қолданылады. Оларға кремний, алюминий және отқа төзімді саз кірпіштері жатады. Алюминий мен кремнийге де шабуыл жасай алатын маңызды реагенттер – фторсутек қышқылы, фосфор қышқылы және фторлы газдар (мысалы, HF, F2). Жоғары температурада қышқылға төзімді материалдар әк және негізгі оксидтермен де реакцияға түседі. Кремнийлі отқа төзімді материалдар – құрамында 93%-дан астам кремний диоксиді (SiO2) бар материалдар. Олар қышқыл, жоғары температуралық соққыға, ағынға және шлакқа төзімді, сондай-ақ қабыршақтануға жоғары төзімділікке ие. Кремний кірпіштері көбінесе темір және болат өнеркәсібінде пеш құрылысына қолданылады. Кремний кірпіштің маңызды қасиеті – жоғары жүктемелерде балқу температурасына дейін беріктігін сақтап тұру қабілеті.

Негізгі отқа төзімді материалдар

Негізгі отқа төзімді материалдар шлагтар мен атмосфераның негізді болып табылатын жерлерінде қолданылады. Олар сілтілік материалдарға тұрақты, бірақ қышқылдармен реакцияға түседі, мысалы, шойыннан фосфорды алу кезінде (Gilchrist–Thomas процесін қараңыз). Басты шикізаттар RO тобына жатады, оның ішінде магний (MgO) кең таралған мысал. Басқа мысалдарға доломит және хром-магнезия жатады. ХХ ғасырдың бірінші жартысында болат өндіру процесінде пештің қаптамасы ретінде жасанды периклаз (қыздырылған магнезит) қолданылды. Магнезиттен жасалған отқа төзімді материалдар ≥ 85% магний оксидінен (MgO) тұрады. Олар әк пен темірге бай шлактарға жоғары төзімділікке, күшті тозуға және коррозияға төзімділікке, сондай-ақ жүктеме астында жоғары отталғыштыққа ие және әдетте металлургиялық пештерде қолданылады. Доломиттен жасалған отқа төзімді материалдар негізінен кальций-магний карбонатынан тұрады. Әдетте, доломиттен жасалған отқа төзімді материалдар конвертерлер мен қайта өңдеу пештерінде қолданылады. Магний-хром отқа төзімді материалдары негізінен магний оксидінен (MgO) және хром оксидінен (Cr2O3) тұрады. Бұл отқа төзімді материалдар жоғары отталғыштыққа ие және коррозиялық ортаға жоғары төзімділік көрсетеді.

Бейтарап отқа төзімді материалдар

Бұл шлагтар мен атмосфераның қышқыл немесе сілтілі болатын және қышқылдар мен сілтілерге химиялық тұрақты келетін аймақтарда қолданылады. Басты шикізаттар R2O3 тобына жатады, бірақ олармен ғана шектелмейді. Осы материалдардың кең таралған мысалдары – алюминий тотығы (Al2O3), хром тотығы (Cr2O3) және көміртек. Алюминий тотығынан жасалған отқа төзімді материалдардың құрамында кемінде 50% алюминий тотығы (Al2O3) болады.

Өлшемі мен пішіні

Жалынға төзімді заттар стандартты және арнайы пішінде жасалады. Стандартты пішіндер жалынға төзімді бұйымдар өндірушілері қолданатын қағидаларға сәйкес келетін өлшемдерге ие, және олар көбінесе бірдей типтегі пештерге немесе қыздырғыштарға қолданылады. Стандартты пішіндер әдетте стандартты өлшемдегі кірпіштер болып табылады, ал бұл өлшем "бір кірпіш эквиваленті" деп аталады. "Кірпіш эквиваленттері" өндірістік қыздырғышқа орнату үшін қанша жалынға төзімді кірпіш қажеттігін есептеуде қолданылады. Қабырғалар, шатырлар, аркалар, түтіктер және дөңгелек ашықтар сияқты құрылымдарды жасау үшін әртүрлі өлшемдегі стандартты пішіндер қолданылады. Арнайы пішіндер нақты пештердің немесе қыздырғыштардың белгілі бір бөліктеріне арнап жасалады. Арнайы пішіндер әдетте стандартты пішіндерге қарағанда аз тығыздыққа және осыған байланысты, аз тозуға төзімді болады.

Пішінсіз (монолитті)

Бұл белгілі бір нысаны жоқ, тек қолданылғанда ғана пішін алады. Мұндай типтер монолитті отқа төзімді материалдар деп аталады. Көбінесе пластмассалық массалар, тығыздау массалары, құймалар, шашырату массалары, түзету қоспасы және ерітінділер осы санатқа жатады. Индукциялық пештердің қаптамасында жиі қолданылатын құрғақ дірілдеумен орнатылатын қаптамалар да монолитті болып табылады және әдетте магнезия/алюмина қоспасынан және белгілі бір қасиеттерін өзгерту үшін басқа химиялық заттар қосылған құрғақ ұнтақ түрінде сатылады және тасымалданады. Олар жоғары пештердің қаптамасында да қолданыла бастады, бірақ мұндай қолданыс әлі де сирек.

Отырау температурасы

Жарылуға төзімді материалдар балқыну температурасына (қорыту нүктесіне) қарай үш түрге жіктеледі. Қалыпты жарылуға төзімді материалдардың балқыну температурасы 1580–1780 °C (мысалы, отқа төзімді саз). Жоғары жарылуға төзімді материалдардың балқыну температурасы 1780–2000 °C (мысалы, хромит). Ең жоғары жарылуға төзімді материалдардың балқыну температурасы > 2000 °C (мысалы, цирконий).