Кремнеземисті вогнетривкі матеріали

Ці матеріали використовують у природному виді - кварц, кварцити, піщаники (містять 95-99% SiО2) і у виді вогнетривких виробів: кварцове скло і динасові цеглини (містять не менш 93-80% SiО2).

Кремнезем SiО2 відомий у 8 модифікаціях: кварц α і b, тридиміт α, b і g; кристобалит α і b, кварцове скло. Стабільними модифікаціями є кварц α і b, тридиміт α і кристобалит α. Кварц у природному стані знаходиться в кристалічній модифікації b-кварц. При нагріванні до 573°С β-кварц зново переходить у α-кварц зі збільшенням об¢єму на 4,6%. При подальшому нагріванні до 870ºС α-кварц необратимо переходить у тридиміт з об'ємним збільшенням на 13,6%. При температурі 1470ºЗ тридиміт необратимо переходить у кристобаллит майже без об'ємної зміни. При нагріванні до 1710ºЗ і вище кварц плавиться. При охолодженні розплавленого кремнезему виходить кремнеземисте (плавлене) скло аморфної будівлі. Найбільшої термостійкістю володіє тридиміт,тому головною задачею випалу є можливо більш повне перетворення β -кварцу в тридиміт, отже, температура випалу не повинна перевищувати 1470ºС.

Кварцити бувають цементні і кристалічні цементні- це тверді породи, що складаються з зерен кварцового піску, зв'язаних кварцовим цементом. Цемент складається з зерен вторинного кварцу розміром 0,001-0,003 мм. Зміст цементу 15-80%.

Кристалічні кварцити - це породи, що складаються із суцільної маси кварцових зерен, що не містять цементу чи утримують його в дуже невеликих кількостях. З них виготовляють футерівку тигельних індукційних печей. З меленого кварциту виготовляють тиглі індукційних печей.

У плавильних печах в основному застосовують динасовий вогнетривкий матеріал, що містить не менш 93% SiО₂ і виготовлений з роздрібнених природних кварцитів з додаванням для зв'язку 2-2,5% вапняного молока - розчин сповісти у воді. Після випалу кварцити переходять у тридиміт.

Етапи виготовлення динасу:

1) змішування розмелених кварцитів з вапняним молоком і невеликою кількістю плавня-мінералізатора,

2) формування маси для одержання фасонних виробів,

3) сушіння для видалення фізично зв'язаної вологи і додання визначеної міцності кирпичам-сирцям,

4) випал при температурі 1430ºС по спеціально розроблених графіках.

Характеристика динасових виробів:

Вогнетривкість, ºС.......................................................................... 1690-1710

Температура початку деформації під навантаженням, ºС............ 1620-1690

Щільність, т/м³ ............................................................................... ….1,8-2

Межа міцності при стиску, МПа.................................................... ….17-34

Пористість, % не більш ............................................... ….21-23

Динас протистоїть дії кислих шлаків,

- не стійкий з основними шлаками,

- має низьку термічну стійкість (1-2 теплозміни),

- добре працює при високих температурах, не прохолоджуючи нижче 700ºС,

- сильно збільшується обсяг при нагріванні й охолодженні.

Застосування:

- для бесемерівських конвертерів,

- високощільний динас для футерівки зводів мартенівських печей,

- електродінас для футерівки зводів електродугових печей.

2.2. Алюмосилікатні вогнетривкі матеріали складаються в основному з Аl₂О₃, SiО₂ і домішок Feо, CaО, Nа₂О.

Температура плавлення:

- Аl₂О₃ - 2050ºС,

- SiО₂ - 1710ºС,

- суміші 95% SiО₂ і 5% Аl₂О₃ - 1549ºС,

- суміші 21% SiО₂ і 79% Аl₂О₃ - 1870ºС.

У залежності від змісту Аl₂О₃ вони підрозділяються на наступні групи:

- напівкислі містять 15-30% Аl₂О₃ інше SiО₂, виготовляють з вогнетривких запісочених глин (кварцеглиняні);

- шамотні містять 30-45% Аl₂О₃ інше SiО₂, виготовляють із глини каолінітної - Аl₂О₃´SiО₂´2Н₂О и водяні силікати глинозему - каолініту.

- муліт містить до 72 % Аl₂О₃, стійкий при 1910ºС,

Муліт з корундом при змісті більш 72 % Аl₂О₃ утворить твердий розчин,

Електрокорунд містить 79-100 % Аl₂О₃, стійкий при 2050ºС.

Глину спочатку сушать при температурі 110ºС, потім піддають тонкому помелу й обпалюють при температурі 450-700ºС.

Обпалені глини називають шамотом.

Характеристика шамотних вогнетривких матеріалів:

Вогнетривкість, ºС.......................................................................... 1580-1750

Температура початку деформації під навантаженням, ºС............ 1250-1400

Усадка при 1200-1400ºС, %........................................................... 1,8-2

Межа міцності при стиску, МПа.................................................... 19-50

Пористість, %................................................................................. 30

Термічна стійкість, число водяних теплозмін............................... 0,7-1

Шамот має:

- низьку хімічну стійкість з основними шлаками,

- задовільну хімічну стійкість з кислими шлаками.

Застосування для печей з температурою не вище 1350ºС:

- для футерівки шахт вагранок,

- для повітропідігрівників вагранок,

- для футерівки ковшів,

- для нагрівальних і термічних печей,

- для димарів і димоходів.

При випалі відбувається видалення хімічно зв'язаної води й утворення метакаоліна Аl₂O₃´2SiО2

Аl₂O₃´2SiО₂´2Н₂О = Аl₂O₃´2SiО₂ + 2Н₂О

Ця реакція відбувається в інтервалі температур 450-650ºС. При температурі 600-830ºС відбувається розкладання метакаоліна:

Аl₂O₃´2SiО2 = Аl₂O₃ + 2SiО₂

При температурах 930-975ºС утвориться муліт 3Аl₂O₃´2SiО₂:

3Аl₂O₃ + 2SiО₂ = 3Аl₂O₃´2SiО2

Шамотні цеглини і вироби одержують шляхом формування із суміші шамоту і необпаленої вогнетривкої глини в пропорціях 50:50. Пресовані вироби сушать і знову обпалюють при температурах 1300-1400ºС.

Мулітокремнеземисті, мулітові, мулітокорундові, корундові вогнетривкі матеріали називають високоглиноземистими, що мають підвищені вогнетривкість, термостійкість, механічну міцність, щільність, шлакостійкість і відповідають наступним вимогам: стійкість до агресивних розплавів, впливу газових середовищ, до механічних навантажень. Сировиною для виробництва цих матеріалів служить оксид алюмінію у виді технічного глинозему і електрокорунду (нормального з 91-93% Аl₂O₃ і білого з 97-99% Аl₂O₃).

Застосування високоглиноземистих матеріалів:

- для високотемпературних нагрівальних печей,

- для доменних, мартенівських печей.

Корундові вогнетривкі матеріали відрізняються високою стійкістю до рідких металів і шлаків. Вони володіють високою термічною стійкістю і механічною міцністю.

Характеристика корундових вогнетривких матеріалів:

Температура плавлення, ºС........................................................... до 2050

Температура початку деформації під навантаженням, ºС............ 1700

Межа міцності при стиску, МПа.................................................... 100