Введение

Материалы, устойчивые к разложению при высоких температурах
жаростойкость

В материаловедении огнеупорный (или огнеупорный материал) – это материал, устойчивый к разложению под воздействием высоких температур или химической коррозии, сохраняющий свою прочность и жёсткость при высоких температурах. Они представляют собой неорганические, неметаллические соединения, которые могут быть пористыми или непористыми, и их кристалличность может значительно варьироваться: они могут быть кристаллическими, поликристаллическими, аморфными или композиционными. Обычно они состоят из оксидов, карбидов или нитридов следующих элементов: кремния, алюминия, магния, кальция, бора, хрома и циркония. Многие огнеупоры являются керамикой, но некоторые, такие как графит, не относятся к ним, а некоторые керамические изделия, например глиняная посуда, не считаются огнеупорными. Огнеупоры отличаются от тугоплавких металлов, которые представляют собой чистые металлы и их сплавы с высокой температурой плавления. Согласно ASTM C71, огнеупорные материалы определяются как "неметаллические материалы, обладающие химическими и физическими свойствами, позволяющими использовать их в конструкциях или в качестве компонентов систем, подвергающихся воздействию сред с температурой выше ". Огнеупоры используются в печах, обжиговых печах, мусоросжигательных установках и реакторах. Они также применяются для изготовления тиглей и форм для литья стекла и металлов. Около 70% всех производимых огнеупоров используется в чёрной и цветной металлургии и литейном производстве.

Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы должны быть химически и физически стабильными при высоких температурах. В зависимости от условий эксплуатации они должны быть устойчивы к тепловому удару, химически инертны и/или обладать определенными диапазонами теплопроводности и коэффициента теплового расширения. Оксиды алюминия (алюмина), кремния (кремнезем) и магния (магнезия) являются наиболее важными материалами, используемыми в производстве огнеупоров. Другим оксидом, часто встречающимся в огнеупорах, является оксид кальция (известь). Шамотные глины также широко используются в производстве огнеупорных материалов. Огнеупоры должны выбираться в соответствии с условиями их применения. Для некоторых областей применения требуются специальные огнеупорные материалы. Цирконий используется, когда материал должен выдерживать экстремально высокие температуры. Карбид кремния и углерод (графит) – это два других огнеупорных материала, применяемых в особо тяжелых температурных условиях, однако их нельзя использовать в контакте с кислородом, поскольку они окисляются и сгорают. Бинарные соединения, такие как карбид вольфрама или нитрид бора, могут обладать высокой огнеупорностью. Карбид гафния является наиболее огнеупорным из известных бинарных соединений, с температурой плавления 3890 °C. Тройное соединение – карбид тантала и гафния – имеет одну из самых высоких температур плавления среди всех известных соединений (4215 °C). Дисилицид молибдена обладает высокой температурой плавления 2030 °C и часто используется в качестве нагревательного элемента.

Огнеупорные кислоты

Кислотные огнеупоры обычно непроницаемы для кислых материалов, но легко подвергаются воздействию щелочных материалов, поэтому их используют с кислой шлаком в кислотной среде. К ним относятся такие материалы, как кремнезем, глинозем и огнеупорный кирпич из глины. Заметными реагентами, способными атаковать как глинозем, так и кремнезем, являются плавиковая кислота, фосфорная кислота и фторированные газы (например, HF, F2). При высоких температурах кислотные огнеупоры также могут реагировать с известью и основными оксидами. Кремнеземные огнеупоры – это огнеупоры, содержащие более 93% диоксида кремния (SiO2). Они кислотные, обладают высокой стойкостью к тепловому удару, воздействию флюсов и шлака, а также высокой стойкостью к сколам. Кирпич из кремнезема часто используется в черной и цветной металлургии в качестве футеровочного материала. Важным свойством кремнеземного кирпича является его способность сохранять твердость под высокой нагрузкой до точки плавления.

Основные огнеупорные материалы

Основные огнеупоры используются в зонах, где шлаки и атмосфера имеют основной характер. Они устойчивы к щелочным материалам, но реагируют на кислоты, что важно, например, при удалении фосфора из чугуна (см. процесс Гилкриста-Томаса). Основное сырье относится к группе RO, типичным примером которой является магнезия (MgO). К другим примерам относятся доломит и хромомагнезит. В первой половине двадцатого века в сталеплавильном процессе искусственный периклаз (обожженный магнезит) использовался в качестве футеровочного материала для печей. Огнеупоры на основе магнезита состоят из ≥ 85% оксида магния (MgO). Они обладают высокой устойчивостью к шлакам, богатым известью и железом, высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, а также высокой огнеупорностью под нагрузкой и обычно применяются в металлургических печах. Огнеупоры на основе доломита в основном состоят из карбоната кальция и магния. Как правило, доломитовые огнеупоры используются в конвертерных и рафинировочных печах. Хромомагнезитовые огнеупоры в основном состоят из оксида магния (MgO) и оксида хрома (Cr2O3). Эти огнеупоры отличаются высокой огнеупорностью и высокой устойчивостью к агрессивным средам.

Нейтральные огнеупорные материалы

Они применяются в средах, где шлаки и атмосфера имеют кислую или щелочную реакцию, и химически устойчивы как к кислотам, так и к щелочам. Основное сырье относится к группе R2O3, однако не ограничивается ею. Типичными примерами таких материалов являются оксид алюминия (Al2O3), оксид хрома (Cr2O3) и углерод. Огнеупоры на основе оксида алюминия содержат ≥ 50% оксида алюминия (Al2O3).

Размер и форма

Огнеупорные изделия производятся в стандартных и специальных формах. Стандартные формы имеют размеры, соответствующие общепринятым стандартам, используемым производителями огнеупоров, и обычно применимы к печам или фурнам одного и того же типа. Стандартные формы обычно представляют собой кирпичи с определенным стандартным размером, который называется "эквивалентом одного кирпича". "Эквиваленты кирпичей" используются для оценки количества огнеупорных кирпичей, необходимых для кладки в промышленных печах и фурнах. Существует ряд стандартных форм различных размеров, предназначенных для возведения стен, сводов, арок, труб и круглых проемов и т.п. Специальные формы изготавливаются под конкретные места в печах и для определенных типов печей или фурн. Специальные формы обычно менее плотные и, следовательно, менее износостойкие, чем стандартные.

Необразные (монолитовые)

Они не имеют заданной формы и приобретают её только при нанесении. Эти типы известны как монолитные огнеупоры. Типичными примерами являются пластичные массы, трамбовочные массы, бетоны, набрызг-массы, ремонтные смеси и растворы. Сухие виброуплотняемые футеровки, часто используемые в футеровках индукционных печей, также относятся к монолитным и поставляются и транспортируются в виде сухого порошка, как правило, на основе магнезии и оксида алюминия с добавлением других химических веществ для изменения конкретных свойств. Они также находят всё большее применение в футеровках доменных печей, хотя такое использование пока ещё не распространено.

Температура плавления

Огнеупорные материалы классифицируются на три типа в зависимости от температуры плавления (температуры плавления). Нормальные огнеупоры имеют температуру плавления 1580–1780 °C (например, шамотная глина). Высокоогнеупорные материалы имеют температуру плавления 1780–2000 °C (например, хромит). Сверхогнеупорные материалы имеют температуру плавления > 2000 °C (например, диоксид циркония).