Свойства огнеупорных материалов

Огнеупорные материалы характеризуются огнеупор­ностью; предельной температурой службы; термической стойкостью; механической прочностью; плотностью; по­ристостью; шлакоустойчивостью; теплопроводностью; удель­ной теплоемкостью; электропроводностью.

Огнеупорность — это свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформи­руясь и не расплавляясь. Огнеупорность определяют стан­дартным методом. Для этого из испытуемого огнеупорного материала изготовляют трехгранные пирамидки (пирископы) либо малого, либо большого формата. Малые пирископы имеют высоту 30 мм, а стороны нижнего и верхнего оснований соответственно 8 и 2 мм. Большие пирископы име­ют высоту 58—63 мм, а стороны нижнего и верхнего осно­ваний 5—18 мм и 2,9—6,5 мм (в зависимости от исполне­ния). Их устанавливают на огнеупорной подставке вместе со стандартными пирископами строго соответствующего размера и определенной огнеупорности в специальную элек­трическую печь, температуру которой измеряют и медлен­но повышают со скоростью 2—6 К/мин).

Пирамидки постепенно размягчаются и их вершины под действием силы тяжести наклоняются к основанию. При одновременном касании вершин пирамидок испытуемого и одного из эталонных пирископов (их так называемом паде­нии) испытание заканчивается, а температура, при которой это происходит, является показателем огнеупорности дан­ного материала.

Стандартные пирископы характеризуются номером, по­казывающим температуру падения. Например, номер 171 означает, что данному стандартному пирископу свойственна температура падения (огнеупорность) 1710 °С.

Огнеупорность, хотя она и является очень важной ха­рактеристикой огнеупорного материала, не может быть при­нята в качестве показателя температурных условий его службы, поскольку температура падения пирископа — это температура размягчения материала до такой степени, ко­торая недопустима при его эксплуатации в печах. Помимо этого, в реальных условиях на материал действует не толь­ко высокая температура, но и механические нагрузки, что вызывает, зачастую, его разрушение при температурах, бо­лее низких, чем температура огнеупорности.

Предельная температура — это та максимальная темпе­ратура, при которой огнеупорный материал может работать в футеровке печи без разрушения. При этом подразумева­ется воздействие на материал только высокой температуры при нагреве и силы давления вышележащих слоев кладки, без учета других факторов, таких как разъедающее дейст­вие расплавов, окалины и т. д. Для оценки значения пре­дельной температуры службы может быть использовано испытание материала на сопротивление деформации под сжимающей нагрузкой при высоких температурах. Это ис­пытание проводится с использованием цилиндрического об­разца, изготовленного из исследуемого материала диамет­ром 36 и высотой 50 мм.

Образец медленно нагревают в специальной электриче­ской печи (со скоростью 4—5 К/мин при температуре свы­ше 800 К), подвергая его воздействию нагрузки. По мере разогрева образец сжимается под этой нагрузкой. Умень­шение его высоты (усадка) регистрируется с помощью ди­латометрической системы. Температуру начала размягчения (начало деформации под нагрузкой) принимают как точку, соответствующую 4 % усадки образца, а температурой кон­ца размягчения полагают точку, отвечающую 30 % усадки. Надо отметить, что обычно температура конца размягче­ния ниже температуры огнеупорности.

Сопротивление огнеупоров деформации под нагрузкой при высоких температурах зависит от: 1) природы материа­ла— образуется или не образуется связанная кристалличе­ская решетка; 2) от плотности огнеупора — чем он плотнее, тем выше сопротивление; 3) от количества примесей — чем больше плавящихся составляющих, тем ниже сопротивле­ние деформации; 4) от качества обжига — у плохо обож­женного материала возникает дополнительная усадка.

Разные материалы ведут себя при испытании под на­грузкой при высоких температурах существенно по-разно­му. Например, динас, образующий при обжиге кристалли­ческий сросток кремнезема, почти не имеющий каких-либо примесей, начинает деформироваться под нагрузкой при температуре, близкой к температуре его огнеупорности.

Изделия из шамота, в котором кристаллический сросток слабо развит и состоит из смеси двух оксидов (А1₂O₃ и SiO₂), образующих плавящуюся фазу, начинают деформи­роваться под нагрузкой при температуре, значительно более низкой, чем температура огнеупорности. Отсюда следует, что строительная прочность динаса при высоких температу­рах больше, чем у шамота. Вместе с тем огнеупорные ма­териалы типа шамота, характеризуемые более пологой кри­вой размягчения (соответственно большей разностью температур начала и конца размягчения), допускают крат­ковременные перегревы, сохраняя устойчивость кладки.

Все эти соображения и положены в основу определения предельно допустимой температуры службы того или иного огнеупорного материала.

Термическая стойкость — это способность материала вы­держивать резкие колебания температуры, не растрескива­ясь и не разрушаясь. Этот показатель характеризуют чис­лом теплосмен, понимая под одной теплосменой цикл нагре­ва огнеупорного изделия до определенной температуры с его последующим резким охлаждением. Различают водя­ную и воздушную теплосмены. При испытании на водяные теплосмены осуществляют охлаждение нагретого до 1300 °С изделия в воде, а при испытании на воздушные теплосме­ны — охлаждение изделия от 800°С на воздухе.

Термическая стойкость зависит от теплопроводности и теплоемкости материала, коэффициента объемного расши­рения и прочности. Многокомпонентные материалы отлича­ются обычно более высокой термостойкостью, чем те огнеупоры, основой которых служит какой-либо один оксид. Так, динасовые изделия выдерживают 1—2 водяных тепло­смены, магнезитовые изделия 5—7, а шамотные изделия порядка 10 теплосмен. В соответствии с этим следует и выбирать тип материала для футеровки различных уст­ройств и печей. Так сталеразливочные ковши, подвергаемые сильным термическим ударам, не следует футеровать мате­риалом, плохо переносящим резкие изменения темпера­туры.

Механическая прочность огнеупорных материалов, ха­рактеризующая их строительную прочность, т. е. способ­ность выдерживать давление без разрушения, описывается значением предела прочности при сжатии, МПа. Строитель­ную прочность определяют при комнатной температуре.

Плотность материала оказывает влияние как на его ме­ханические свойства, так и на теплофизические характерис­тики. Чем выше плотность, тем лучше огнеупорный материал сопротивляется разъедающему воздействию жидкого металла и шлака, тем ниже его газопроницаемость и тем больше (при прочих равных условиях) механическая проч­ность. В то же время более плотные материалы обладают повышенной теплопроводностью, т.е. их теплоизолирующие свойства хуже. Для огнеупорных материалов определяют обычно кажущуюся плотность, выражаемую в кг/м³, т.е. отношение массы сухого изделия к его общему объему, включая объем всех пор.

Пористость материала, тесно связанную с кажущейся плотностью, выражают в процентах как отношение объема пор ко всему объему огнеупорного изделия. Она колеблет­ся от 1 % ^в литых огнеупорах до 80 % в теплоизоляцион­ных материалах. Пористость огнеупорных изделий возника­ет в результате образования микротрещин при обжиге вследствие анизотропности кристаллического строения об­разующих их веществ.

Получить огнеупорные материалы совершенно без мик­ротрещин практически невозможно даже методом изготов­ления литых изделий. Различают кажущуюся пористость (или открытую), при которой поры сообщаются с атмосфе­рой, и истинную пористость. Кажущуюся пористость опре­деляют как отношение объема открытых пор к общему объему изделия, а истинную пористость — как отношение объема всех пор (открытых и закрытых) к общему объему изделия.

С увеличением пористости повышается газопроницае­мость, понижается механическая прочность и шлакоустойчивость. Огнеупорные изделия, используемые для выкладки пода, свода и стен печей, должны обладать минимальной пористостью, а теплоизоляционные материалы, наоборот, максимальной пористостью.

Открытая пористость влияет на газопроницаемость огне­упорных изделий; чем выше эта величина, тем больше пор, проходящих через кирпич от одной грани до противополож­ной.

При футеровке печей (особенно плавильных) необходи­мо применять огнеупорные изделия с минимальной газо­проницаемостью, поскольку проникновение газов через кладку может открыть путь для прорыва жидкого металла и шлака.

Шлакоустойчивость характеризует способность огне­упорных материалов противостоять разъедающему дейст­вию расплавленных шлаков. Это свойство особенно важно при выборе материала для футеровки плавильных печей. Основными факторами, определяющими шлакоустойчивость, являются состав огнеупоров и контактирующего с ним шлака, а также температура. Поэтому для уменьшения разъедания футеровки печей, где образуются кислые шла­ки, ее выполняют из огнеупоров на основе кислых оксидов, а при наличии в печи основных шлаков ее футеруют основными огнеупорами, при этом, чем выше температура жид­кого шлака, тем интенсивнее он разъедает тот же самый огнеупорный материал. Как отмечалось выше, уменьшение пористости материала во всех случаях способствует его лучшей шлакоустойчивости.

Теплопроводность огнеупорных материалов оказывает большое влияние на тепловую работу футеровки. Чем она ниже, тем лучше теплоизолирующие свойства кладки. Ко­эффициент теплопроводности огнеупоров зависит от приро­ды материала, его пористости и температуры.

При увеличении температуры величина коэффициента теплопроводности шамотных и динасовых огнеупоров по­вышается, а магнийсодержащих и высокоглиноземистых — сильно понижается (рис. 65).

Удельная теплоемкость огнеупорного материала также является важной характеристикой, оказывающей влияние на тепловую работу футеровки, особенно печей периодиче­ского действия. Чем выше удельная теплоемкость огнеупор­ного материала, тем при прочих равных условиях больше расход тепла на аккумуляцию кладкой печи, изготовленной из этого материала. С ростом температуры теплоемкость всех огнеупорных изделий повышается (рис. 66).

Электропроводность огнеупорных материалов играет очень важную роль в службе футеровки электрических пе­чей, где огнеупорные изделия часто служат изоляторами. При невысоких температурах большая часть огнеупоров (исключение представляют углеродистые, графитовые и карборундовые изделия) являются электроизоляторами. Однако при увеличении температуры свыше 1000 °С изоля­ционные свойства огнеупоров падают, т. е. их удельное электрическое сопротивление уменьшается. Это явление объясняется уплотнением материала вследствие его терми­ческого расширения, образованием жидких фаз, представ­ляющих собой электролит, и тепловым возбуждением моле­кул и атомов.