Алюмосиликатные огнеупорные материалы

Алюмосиликатные материалы имеют в качестве огне­упорной основы оксиды алюминия и кремния (Аl₂O₃) и SiO₂). Структура, свойства и область применения этих ма­териалов зависят от содержания Аl₂O₃ и SiO₂. По этому признаку их разделяют на полукислые (15—30 % Аl₂O₃), шамотные (30—46 % Аl₂O₃) и высокоглиноземистые (свы­ше 46 % Аl₂O₃).

На диаграмме состояния системы SiO₂—А1₂O₃ (рис. 67) показаны области существования различных огнеупорных

материалов на основе этих двух оксидов. Видно, что в этой системе минимальную температуру плавления (1545 °С) имеет эвтектика состава 5,5 % Аl₂О₃ и 94,5 % SiО₂. При увеличении содержания в смеси Аl₂О₃ устойчивой твердой фазой в расплаве будет муллит (3Al₂О₃·2SiО₂), содержа­щий 71,8 % Аl₂О₃, а при температуре выше 1850 °С — ко­рунд. Следует отметить, что по мере нарастания содержа­ния Аl₂О₃ образуются соединения с более высокой темпера­турой плавления: 46 % Аl₂О₃ соответствует минералу као­линит (Al₂О₃·2SiО₂), имеющему температуру перехода в жидкое состояние около 1800 °С; 62,5% А1₂О₃ отвечает силиманиту (Al₂О₃·SiО₂) (температура плавления около 1850 °С; 71,8% Аl₂O₃ соответствует муллиту (температура плавления около 1870°С). Температура плавления чистого Аl₂O₃ (корунда) — 2050 °С.

Муллит является очень прочным и тугоплавким соеди­нением. Он в основном и определяет высокую огнеупорность и стойкость высокоглиноземистых огнеупоров во время их службы в печах.

Шамотные изделия

Их изготовляют из огнеупорных глин и каолинов, содер­жащих водный каолинит Al₂О₃·2SiО₂·2H₂О. Это сырье подвергают предварительному обжигу с целью получения безводного каолинита Al₂О₃·2SiО₂, который размалывают и просеивают. Смесь необожженной глины и безводного каолинита (в равных количествах) увлажняют и из этой пластической массы посредством прессования под высоким давлением изготавливают изделия требуемой формы. Их сушат, а затем обжигают при температуре, возрастающей до 1400 °С в течение 70—120 ч. В процессе обжига происхо­дит перекристаллизация глинозема и образуется муллит 3Al₂O₃-2SiO₂, зерна которого укрупняются и формируют кристаллический сросток.

Применение и свойства шамотных огнеупоров. В насто­ящее время в производстве огнеупоров шамотные огнеупор­ные изделия занимают по объему первое место (70—75 %) и их широко применяют почти во всех отраслях промыш­ленности, в том числе и в металлургии. Они используются для футеровки шахты и горна доменных печей, воздухона­гревателей, нижнего строения мартеновских печей, большей части нагревательных печей, вагранок, ковшей, дымовых боровов, дымовых труб и т. д. Доступность и низкая стои­мость (шамот — самый дешевый огнеупорный материал, кроме талька) также обусловливают их широкое распрост­ранение.

Шамотные огнеупоры имеют предельную температуру службы до 1500 °С, небольшую усадку при повторном об­жиге и хорошую термостойкость (не менее 10 водяных теплосмен). Шамотные изделия плохо сопротивляются воздей­ствию железистых шлаков и окалины. Шамотные изделия общего назначения, содержащие не менее 28 % Al₂O₃, раз­деляются на три класса, отличающиеся между собой значе­нием предельной температуры службы: у изделий ША эта температура составляет 1300 °С; для изделий ШБ 1250 °С; для изделий ШУС 1200 °С. Кажущаяся пористость изделий 20—30 %, плотность соответственно 2100, 2000 и 1900 кг/м³, предел прочности при сжатии 20—12,5 МПа.

Для футеровки сталеразливочных ковшей применяют шамотные огнеупорные изделия типов КШУ-32, КШУ-37 и КШУ-39 с содержанием Al₂O₃соответственно не ниже 32, 37 и 39 %. Их кажущаяся плотность 2100 кг/м³, а открытая пористость 12—19 %. При использовании этих изделий по прямому назначению температура службы составляет 1650 °С, а предел прочности при сжатии 27—30 МПа.

Повышение содержания Al₂O₃ в шамотных огнеупорах до 42 % и выше и увеличение их плотности позволяет дове­сти предельную температуру их службы до 1500 °С (изде­лия КШУ-42, ШИ-42 и ШГ-42 с кажущейся плотностью 2100—2000 кг/м³ и пределом прочности соответственно 40, 30 и 25 МПа).

Шамот используется также для выполнения бетонных блоков типа ШБВЦ-42, ШБВЦ-40, ШБГЦ-38 и ШБГЦ-36. При содержании в этих материалах Al₂O₃ соответственно не ниже 42, 40, 38 и 36 % температура их службы состав­ляет 1350, 1300, 1250 и 1200 °С, а предел прочности на сжа­тие 20—15 МПа.

Условия службы шамотных огнеупоров сильно различа­ются в зависимости от типа печи, в которой они использу­ются для выполнения футеровки. Так же различны и фак­торы, обусловливающие их выход из строя.

В футеровке шахт доменных печей износ шамота обус­ловлен в основном механическим истиранием движущейся шихтой, а также разрушающим воздействием выделяюще­гося сажистого углерода.

В воздухонагревателях доменных печей быстрее всего изнашиваются купол, верхние ряды насадок и футеровка верхней части стен.

В сталеразливочных ковшах резкие термические удары и разъедающее действие слоя шлака, опускающегося по всей высоте ковша по мере выпуска из него металла, приводят к тому, что стойкость шамотной футеровки составля­ет 8—20 заполнений ковша.

В нагревательных печах различных типов шамот пока­зывает достаточно хорошую стойкость и служит от 15 (в термических печах) до 1—2 лет в колодцах.

Несмотря на очень широкое распространение шамота в металлургии, его применение постепенно сокращается, так как его вытесняют новые огнеупорные материалы с более высокими рабочими свойствами, применение которых обус­ловлено непрерывной интенсификацией тепловой работы печей.

Полукислые огнеупоры

Из изготовляют из огнеупорных глин, смешанных с пес­ком, или из полукислых глин, содержащих 15—30 % Al₂O₃, по той же технологии, что и шамотные изделия. Полукис­лые огнеупорные материалы характеризуются хорошим по­стоянством объема, так как усадка одного компонента (глинозема) компенсируется увеличением объема второго компонента (кремнезема). Обычно полукислые огнеупоры дают в процессе эксплуатации усадку 1—1,5 %. Они не­сколько менее огнеупорны, чем шамотные материалы.

Высокоглиноземистые изделия

Их изготовляют из природных минералов: андалузита, силиманита и кианита, имеющих одинаковый химический состав (Al₂O₃·SiO₂), но различное кристаллическое строе­ние, а также из диаспора Al₂O₃·Н₂O, боксита Al₂O₃·пН₂O, гидрагиллита Al₂O₃·3Н₂O и корунда Al₂O₃. Применяется также и искусственное сырье в виде технического глинозе­ма, содержащего не менее 90 % Al₂O₃.

Все эти исходные материалы должны содержать мини­мальное количество примесей (не более 3 %).

Высокоглиноземистые изделия изготовляют или прессо­ванием с последующим обжигом, или литьем из расплавов (литые). Высокоглиноземистое сырье обжигают при темпе­ратуре 1600—1650 °С и подвергают очень тонкому помолу (<10 мкм).

В качестве связующих при формовании высокоглинозе­мистых изделий используют чистые огнеупорные глины и каолины или фосфатные связки.

Литые муллитовые изделия получают в результате пере­плавки в электропечах минералов силиманитовой группы. В электропечи загружают шихту, состоящую из кокса, стального лома и силиманита. При расплавлении происходит частичное восстановление кремния из силиманита и при этом протекает реакция образования ферросилиция FeSi и шлака, состоящего из муллита 3 Al₂O₃·2SiO₂. Более тяже­лый ферросилиций опускается на дно печи, а расплавлен­ный муллит разливается в специальные формы (соответст­вующие размерам изделий), в которых расплав подверга­ется медленному охлаждению от 4 до 10 сут. Благодаря медленному охлаждению изделий снимаются внутренние термические напряжения. После охлаждения их шлифуют, доводя до нужных размеров.

Высокоглиноземистые изделия также можно получить посредством термитного процесса благодаря разности теплот образования оксидов алюминия и железа. Если 25 % алюминиевого порошка и 75 % оксида железа (по массе) перемешать между собой и поджечь (вольтовой дугой или запальной смесью), то произойдет реакция Fe₂O₃+2Al = 2Fe+ Al₂O₃.

При протекании этой реакции выделяется значительное количество тепла (835Дж/моль), благодаря чему металл и шлаковый расплав получаются в жидком состоянии. Рас­плав разливают в формы и медленно охлаждают для того, чтобы избежать возникновения термических напряжений в изделиях и их растрескивания. Таким способом получаются литые муллитовые и корундовые изделия.

Литые изделия позволяют получать очень плотный и прочный материал, хорошо сопротивляющийся воздействию любых шлаков.

Применение и свойства высокоглиноземистых огнеупо­ров. Эти материалы находят все более широкое применение для футеровки узлов сталеплавильных печей, работающих в тяжелых условиях (насадки регенераторов и своды электродуговых печей), сводов и подин высокотемпературных нагревательных печей, насадок воздухонагревателей до­менных печей и т. д. Из них изготавливают ковшевой и сталеразливочный припас для разливки специальных сталей, защитные трубки и чехлы для термопар, тигли и элементы лабораторного оборудования для высокотемпературных ис­следований. Высокоглиноземистые огнеупоры сравнительно хорошо противостоят воздействию кислых и основных шла­ков.

Свойства высокоглиноземистых огнеупоров во многом определяются содержанием в них Al₂O₃. Так, высокоглино­земистые изделия общего назначения типа МКРАП-45 и МКРУ-45 (муллитокремнеземистые), содержащие не менее 45% Al₂O₃, имеют предельную температуру службы 1400 °С, кажущуюся плотность 2200—2300 кг/м³, предел прочности при сжатии 40 МПа. При увеличении содержа­ния Al₂O₃ до 60—67 % (муллитовые и муллитокремнезе-мистые изделия МЛФ-62, МЛФ-67 на фосфатной связке, МЛУ-62, МЛС-62, МКРС-60-22 и др.) предельная темпера­тура службы высокоглиноземистых огнеупоров возрастает до 1500—1550 °С, а кажущаяся плотность—до 2300—2600 кг/ /м³. В муллитокорундовых изделиях МКС-72, МКС-80-22 содержится соответственно не менее 72 и 80 % Al₂O₃. Их кажущаяся плотность составляет 2500 и 2800 кг/м³, а пре­дельная температура службы достигает 1600 и 1650 °С при прочности на сжатие 30—40 МПа. Корундовые изделия КС-90 и КС-95 с содержанием Al₂O₃ свыше 90 и 95 % име­ют максимальную температуру службы 1750 и 1800 °С, а их плотность составляет соответственно 3000 и 3200 кг/м³. Эти материалы хорошо сопротивляются истиранию.

Высокоглиноземистые материалы обладают достаточно высокой термической стойкостью (3—5 водяных теплосмен) и повышенной теплопроводностью (особенно литые).

Срок службы монолитного пода высокопроизводитель­ных методических печей, выполненного из литых корундомуллитовых блоков, достигает трех лет, а применение ли­тых блоков для футеровки пода и нижней части стен рабо­чих камер нагревательных колодцев позволяет увеличить срок службы до 5 лет.

Разрушение высокоглиноземистых огнеупоров происхо­дит при резком охлаждении от температур выше 1200 °С. В этом диапазоне их термостойкость значительно снижается.

Применение высокоглиноземистых огнеупоров все боль­ше расширяется и они вытесняют шамотные огнеупоры там, где предъявляются высокие требования к условиям их службы. Рост их применения сдерживается сравнительно высокой стоимостью.