Кремнеземистые огнеупорные материалы

Кремнеземистые огнеупорные материалы наиболее ши­роко представлены очень распространенными динасовыми изделиями. Динас содержит не менее 93% SiO₂. Динасовые изделия формуют под давлением из смеси чистого квар­цитового порошка, содержащего не менее 95 % SlO2, и 1,5—2,5 % СаО. Затем изделия обязательно подвергают об­жигу в печах по специальному графику. Обжиг динаса — это сложный процесс, так как при нагреве в кремнеземе происходит перекристаллизация с переходом его из одной модификации в другую.

Кремнезем может существовать в виде одной из восьми модификаций: a- и bр-кварц, a-, b- и g-тридимит, a- и b-кристобалит и кварцевое стекло. Всем этим модификациям свойственна различная кристаллическая форма и разная плотность.

В природе кремнезем почти всегда существует в моди­фикации b-кварца, который имеет плотность 2650 кг/м³ и при нагреве до 537 °С превращается в a-кварц плотностью 2583 кг/м³, т. е. в результате этого превращения его удель­ный объем возрастает на 4,6 %.

Если нагреть a-кварц до 1300—1400 °С, то он переходит в a-кристобалит плотностью 2229 кг/м³, т. е. удельный объем возрастает еще на 13,65 %. Но в присутствии плавящих­ся примесей или добавок (известь), обусловливающих при 1100—1400 °С образование жидких фаз, кварц будет под­вергаться превращению не в a-кристобалит, а в a-тридимит плотностью 2228 кг/м³, т. е. удельный объем по сравнению с кварцем возрастет на 13,68%. Однако это превращение происходит только до 1470 °С, а при более высоких темпе­ратурах a-кварц во всех случаях переходит в a-кристобалит. Нагревая далее a-кристобалит до температуры плавле­ния Si0₂ и переохлаждая раствор, можно получить кварце­вое стекло плотностью 2203 кг/м³; в этом случае удельный объем вещества возрастает еще до 1,18 %.

Все процессы полиморфного превращения протекают сравнительно быстро, за исключением превращения (пере­рождения) a-кварца в a-тридимит или в a-кристобалит и стекла в a-кристобалит.

Установлено, что тридимитная разновидность кремнезе­ма характеризуется наименьшим изменением объема при нагреве и охлаждении. Поэтому при обжиге динасовых из­делий стремятся получить тридимитную модификацию SiCb. При службе в печах в динасе тридимит будет пере­ходить в кристобалит, не вызывая, однако, разрушения кирпича, так как печи в процессе службы не охлаждают до низших температур полиморфного превращения.

Поэтому добавка извести в кварцитовую шихту и игра­ет столь важную роль, образуя жидкую фазу при обжиге, которая способствует перекристаллизации a-кварца в a-тридимит. При изготовлении динаса с известковой добав­кой последняя одновременно служит связующим веществом при формовании кирпичей.

Для формования кирпича применяют прессы различных типов. Сформованные изделия сушат и затем обжигают в камерных или туннельных печах при 1430—1450 °С, причем нагрев ведут особенно медленно в диапазоне 1300—1450 °С. Превышение этой температуры недопустимо, так как при температуре обжига выше 1470 °С кварц, переходя в a-кри­стобалит, образует рыхлую массу.

Нагрев и охлаждение при обжиге необходимо проводить осторожно, с остановками, для того чтобы дать возмож­ность завершиться процессам перекристаллизации кремне­зема и избежать растрескивания кирпича в связи с увели­чением объема. Цикл обжига динаса длится сотни часов.

Применение и свойства динасовых огнеупоров. Динасовые изделия, содержащие свыше 93—94,5 % SiO₂, исполь­зуются для выполнения сводов сталеплавильных печей, футеровки коксовых печей, насадок кауперов и других регене­раторов, вагранок и реже нагревательных печей. Их не рекомендуется использовать в футеровке, подвергающейся регулярному охлаждению ниже 700—800°С. В настоящее время производят динасовые (тридимито- кристобалитные) изделия нескольких видов: для коксовых печей, для марте­новских печей, для сводов электросталеплавильных печей, для насадок регенераторов мартеновских и воздухонагрева­телей доменных печей и др. Кроме изделий, из кварцитов выполняют набивные футеровки кислых мартеновских пе­чей, электропечей и плавильного пояса вагранок. Выпуска­ются также изделия из динасового огнеупорного бетона (блоки и панели).

Динас является кислым материалом, поскольку его ог­неупорной основой служит SiO₂. Поэтому он хорошо сопро­тивляется кислым (кремнеземистым) шлакам, но при тем­пературе свыше 1450 °С его шлакоустойчивость понижается.

Температура службы динасовых изделий ДМС, ДМ, ДН достигает 1640—1650°С при кажущейся плотности 2340— 2400 кг/м³, а предел прочности динасовых изделий на сжатие составляет 17,5—25 МПа. Это позволяет успешно применять его в высокотемпературных печах для изготовле­ния нагруженных частей футеровки. Однако динас облада­ет весьма невысокой термической стойкостью (1—2 водя­ных теплосмены), обусловленной изменениями объема при протекании процессов перекристаллизации и большим ко­эффициентом объемного расширения при невысоких темпе­ратурах. Поэтому части футеровки, выполненные из дина­са, не должны подвергаться резкому охлаждению (до тем­пературы ниже 700 °С) во избежание растрескивания.

Для футеровки сводов электрических дуговых печей применяется высокоплотный динас, изготовляемый из чис­тых кварцитов. Эти изделия содержат свыше 96 % SiO₂ и характеризуются несколько более высокой температурой службы.

Изделия из динасового бетона имеют более низкую плотность (1800 кг/м³) и температуру службы (1500°С).

В сводах сталеплавильных печей динас подвергается разрушению вследствие взаимодействия кремнезема с пла­вильной пылью и брызгами шлака, содержащими большое количество оксидов железа и кальция. В результате обра­зуется расплав, отдельными каплями стекающий со свода. Диффузионное проникновение этих оксидов внутрь кирпича изменяет его цвет и структуру, формируя поверхностный серый слой с несколько более высокой огнеупорностью, чем исходный динас. Даже при больших потерях массы вследст­вие оплавления кладка из динаса сохраняет механическую прочность. Тем не менее недостаточно высокая стойкость динаса при растущей интенсивности тепловой работы ста­леплавильных печей заставила его уступить место магнезитохромитовым огнеупорам для футеровки сводов. В стенах и сводах нагревательных печей непрерывного действия, не подверженных резким изменениям температуры, динас слу­жит хорошо и долго в отличие от печей периодического действия, где в случае частых охлаждений кладки ниже 700 °С она быстро выходит из строя.