Классификация огнеупоров
Огнеупорами называют материалы из естественного и искусственного сырья и изделия из этих материалов, предназначенные для использования в условиях высоких температур в различных тепловых агрегатах, и способные выдерживать без нагрузки, не разрушаясь, воздействие высоких температур.
Основу большинства видов огнеупорных материалов составляют тугоплавкие оксиды (°С):
- MgO-2800°С,
- CaO-2614°С,
- Cr2O3-2299°С,
- Al2O3-2050°С,
- SiO2-1730°С,
- ZrO2-2700°С.
Изготовленные с использованием этих оксидов изделия по огнеупорности, т.е. способности противостоять воздействию высоких температур не разрушаясь, подразделяются на:
- огнеупорные 1580 - 1770 °С;
- высокоогнеупорные 1770 - 2000 °С;
- высшей огнеупорности - более 2000 °С.
По химическому составу огнеупоры бывают:
- кислые - на основе SiO2;
- основные - на основе MgO и CaO;
- нейтральные - на основе Al2O3 и Cr2O3.
Огнеупоры бывают формованные и неформованные. К формованным относятся кирпичи, боки и др. изделия. К неформованным относят мертели, заправочные материалы, различные порошки, бетоны, массы.
Имеется еще целый ряд классификаций: по способу формования, по назначению, по форме и размерам, по пористости, характеру термической обработки, пропитки, обожженные, необожженные. Например, в зависимости от формы изделия подразделяются на прямые нормальных размеров 230x(114; 115)x(65; 75) мм; клиновые нормальные 230x(114; 115)x(65x55; 65x45; 75x65) мм; мелкоштучные разного назначения с массой преимущественного менее 1 кг; фасонные, блочные массой от 10 до 1000 кг; крупноблочные массой более 1000 кг.
1. Алюмосиликатные огнеупоры (alumina-silica refractories) - огнеупоры, изготовленные преимущественно из А12О3 и SiO2. Алюмосиликатные огнеупоры подразделяют на полукислые (14-28% А12О3), шамотные (28-45%), высокоглиноземистые (49-95%) и применяют во многих тепловых агрегатах.
2. Безобжиговые огнеупоры (unburned refractories) - изделия из огнеупорных материалов и связки, приобретают требуемые свойства при сушке < 400°С (после нагрева изделий от 400 до 1000°С их называют термообработанными). Связкой могут быть глины, керамические суспензии, растворы фосфатов, щелочные силикаты (жидкое стекло), смолы термопластичные и термореактивные, эластомеры и другие безобжиговые огнеупоры по прочности и пластичности не уступают, а по термостойкости превосходят обожженные огнеупоры.
Наиболее широко применяют следующие безобжиговые огнеупоры: кремнеземистые бетонные блоки (для нагревательных колодцев), шамот и высокоглиноземные (для обжиговых агрегатов), магнезиальноизвестковые на смоляной (пековой) связке (для сталеплавильных конвертеров) периклазовые и периклазохромитовые (для сталеразливочных стаканов), магнезиальные в стальных кассетах.
3. Бескислородные огнеупоры (non-oxygenous refractories) - огнеупоры, изготовленные из тугоплавких бескислородных соединений: карбидов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов. Технология бескислородных огнеупоров включает приготовление порошков бескислородных соединений, формование из них изделий с добавлением связки и последующий обжиг при высоких температуpax.
Применение бескислородных огнеупоров при высоких температуpax в окислительной атмосфере ограничено.
4. Волокнистые огнеупоры (fibrous refractories) - теплоизоляционные, состоящие из волокон огнеупоры в виде формованных (плиты, блоки, листы и др.) с неорганической или органической связкой и неформованных (вата, войлок и др.) изделий. Волокнистые огнеупоры изготовляют преимущественно из высоко-глиноземного и глиноземного стекловолокна и из корундового, поликристалличического волокна, а также из ZrO2 и др. оксидов.
Волокнистые огнеупоры применяют для теплоизоляции и футеровки тепловых агрегатов, а также для заполнения компенсационных швов.
5. Высокоглиноземистые огнеупоры (high-alumina refractories) - алюмосиликатные огнеупоры, содержащие > 45% А12О3. Высокоглиноземистые огнеупоры подразделяются на муллитокремнеземистые (МКР, 45-62% А12О3), муллитовые (МЛ, 62-72%) и муллитокорундные (МК, 72-90%). Изделия МКР изготавливают на основе шамота из бокситов, глин и бокситов, а также концентратов высокоглиноземистых алюмосиликатов, МЛ и МК - на основе технического глинозема, электрокорунда, маложелезистых бокситов, богатых глиноземом.
Высокоглиноземистые огнеупоры применяют для футеровки сталеразливочных, промежуточных и чугуновозных ковшей, скользящих затворов ковшей, сводов электродуговых печей, лещади и горна домен, печей, воздухонагревателей нагревательных печей и др. тепловых агрегатов с рабочей температурой выше 1300-1350°С, а также в качестве стаканов для разливки стали, трубок для термопар и др. Неформованные высокоглиноземистые огнеупоры типа МЛ и МК применяют в виде набивных масс (для сталеразливочных ковшей), заполнителей огнеупорных бетонов, мертелей и т.п.
6. Высокоглиноземистые (корундовые) огнеупоры (high-alumina (corundum) refractories) - огнеупоры, содержащие > 95% А12О3. Корундовые огнеупоры изготавливают из порошков электроплавкого корунда и технического глинозема, формуют разными способами и обжигают при 1600-1750°C.
Корундовые огнеупоры применяют в агрегатах с рабочей температурой до 1750-1800°С, они обеспечивают необходимую стойкость в условиях контакта со шлаком, жидким металлом, расплавом стекла, щелочами и кислотами. Из корундовых огнеупоров изготовляют корундовые плиты для шиберных затворов сталеразливочных ковшей, изделия для футеровки камер вакууматоров стали, насадки высокотемпературных воздухонагревателей, чехлы термопар, тигли для плавки стекол, металлов и др.
Неформовованные корундовые огнеупоры - мертели и бетоны с корундовым заполнителем применяют для футеровки патрубков вакууматоров стали, а массы и обмазки - для изгототовления и ремонта огнеупорных футеровок с рабочей температурой > 1700°С.
7. Динасовые огнеупоры (silica refractories) - см. кремнеземистые огнеупоры.
8. Известковопериклазовые (доломитовые) огнеупоры (lime-periclase (dolomite) refractories) - огнеупоры, изготовленные из доломита, в т.ч. с добавлением периклазового порошка с массовой долей MgO - 10-50% и СаО - 45-85%. Безобжиговые известковопериклазовые огнеупоры изготавливают формованием порошков обожженного доломита на органической связке (каменноугольная смола, периклаз или с термической обработкой при 300-600°С); огнеупорность их > 2000°С.
Изготовляют также известковопериклазовые огнеупоры, обожженные при 1500-1750°С и сохранившие частично свобобные СаО. Известковопериклазовые огнеупоры устойчивы при взаимодействии с основными шлаками.
Безобжиговые известковопериклазовые огнеупоры применяют для футеровки сталеплавильных конвертеров, а обожженные известковопериклазовые огнеупоры - сталеплавильных печей, сталеразливочных ковшей и т.п. Используют неформовованные известковопериклазовые огнеупоры (массы из обожженного доломита со связкой) для набивки блочных и монолитных футеровок электросталеплавильных печей, конвертеров, сталеразливочных ковшей и др.
9. Карбидкремниевые огнеупоры (silicon-carbide refractiries) - огнеупоры, изготовленные на основе SiC (> 70%). Карбидкремниевые огнеупоры применяют для изготовления муфелей, рекуператоров, чехлов термопар и др.; футеровки электрических нагревательных колодцев, агрегатов производства цинка и алюминия, циклонов трубопроводов и т.п. Карбидкремниевые огнеупоры на нитридной и оксинитридной связке используют также для футеровки нижней части шахты домен, печей.
Неформованные карбидкремниевые огнеупоры применяют для покрытий щитовых экранов котельных топок, в виде мертелей и масс при выполнении огнеупорной кладки.
10. Кремнеземистые огнеупоры (silicons refractories) - огнеупоры, содержащие > 80% SiO2. К ним относят наиболее распространенные динасовые и кварцевые огнеупоры, а также кварц, стекло.
11. Динасовые огнеупоры - содержат > 93% SiO2 или 80-93% SiO2 (при изготовлении с добавками) и изготовливаются из кварцитов. В порошок кварцита добавляют известковое молоко и железистые добавки, формуют на прессах изделия задан, размеров и обжигают при 1430-1460°С.
Динасовые огнеупоры применяют для футеровки коксовых, стекловар, печей, воздухонагревателей, а также ряда плавильных агрегатов в ЦМ и др. Неформованные динасовые огнеупоры - мертели, материалы для обмазок и т.п. изготавливают из молотых боя динас, огнеупоров и кварцитов, применяют при выполнении и ремонте кладки.
12. Кварцевое стекло - переохлажденный расплав природного (песок, жильный кварц, горный хрусталь и др.) или синтетического кремнезема, содержащего > 99% SiO2, применяют для изготовления стекловарных печей (в виде блоков), ламп инфракрасного нагрева, защитных чехлов термопар и др.
Из кварцевого стекла путем измельчения, формования и обжига (а также без обжига) изготавливают также термостойкие огнеупорные изделия (так называемая кварцевая керамика), используют в качестве погружных стаканов и защитных труб при разливке стали, в лабораторной практике и др.
13. Легковесные огнеупоры (lightweight refractories) - огнеупоры с высокой (45-85%) пористостью. Легковесные огнеупоры подразделяют на: шамотные, высокоглиноземные, динасовые, глиноземные (корундовые) и другие типы. Основа технологии изготовления: введение в шихту измельченных выгорающих добавок (древесных опилок, лигнина, кокса, полистирола и др.) и формование изделий пластичным или полусухим способами; смешивание суспензий из огнеупорных порошков с пеной из клеевого раствора с поверхностно-активной добавкой, химическое газообразование и вспучивание суспензии, содержащей стабилизатор, разливка в форму; формование изделий из легковесных заполнителей (пористых зерен, пустотелых сфер) с добавлением связующего. Заключительная стадия - обжиг при > 1250°С.
Легковесные огнеупоры применяют в качестве теплоизоляционных материалов для футеровки стен и сводов нагревательных и обжиговых печей, котельных топок и др. Экономия энергоресурсов от применения легковесных огнеупоров по сравнению с обычными 10-30%.
Высокоогнеупорные легковесные огнеупоры на основе оксидов применяют в вакуумной технике, высокотемпературных печах, силовых установках легательных аппаратов и др.
Неформованные легковесные огнеупоры в виде засыпок из зернистых материалов, в т.ч. из пустотелых гранул применяют для внешней теплоизоляции тепловых агрегатов.
14. Магнезиальные огнеупоры (magnesia refractories) - огнеупоры, содержащие в основе MgO. К ним относят: магнезиальносиликатные (45-85%), магнезиальношпинелидные (40-85%) и магнезиальноизвестковые (10-85%). Магнезиальные огнеупоры изготовляют из обожженных и частично сырых материалов с добавлением связки и обжигом при 1500-1900°С.
Магнезиальные огнеупоры имеют высокую стойкость при взаимодействии с расплавами металлов и основных шлаков, широко применяются для футеровки металлургических и других агрегатов.
15. Магнезиальносиликатные огнеупоры (magnesia-silica refractories) - огнеупоры, состоящие в основном из форстерита (Mg2(SiO4)) и содержащие 50-60% MgO, 25-40% SiO2. Магнезиальносиликатные огнеупоры формуют со связующей добавкой и обжигают при 1450-1550°С (или используют без обжига). Основные свойства магнезиальносиликатных огнеупоров: пористость открытая 22-28%, температуpa начала размягчения под нагрузкой - до 1610-1620°С.
Магнезиальносиликатные огнеупоры применяют для футеровки насадок регенераторов мартенов, и стекловарных печей, сталеразливочных ковшей (в т.ч. в виде набивных масс), плавильных агрегатов ЦМ, а также для изготовления сталеразливочных стаканов и др. Неформованные магнезиальносиликатные огнеупоры могут применяться как добавка в металлургических порошках.
16. Магнезиальношпинелидные огнеупоры (magnesia spinel refractories) - огнеупоры, состящие из периклаза и хромшпинелида MgO. Сг2О3 (в т.ч. со шпинелью MgO o А12О3). Периклазохромитовые огнеупоры содержат > 60% MgO и 5-20% Сг2О3. Периклазохромитовые огнеупоры формуют и обжигают при 1700-1850°С. Для высококачественных периклазохромитовых огнеупоров используют MgO чистотой > 96% и концентраты хромита.
Периклазохромитовые огнеупоры применяют для футеровки сводов сталеплавильных печей, вакууматоров стали, кислородных конвертеров (горловина, летки), сталеразливочных ковшей (шлак, пояс), медеплавильных агрегатов, высокотемпературных обжиговых печей и др.).
К магнезиальношпинелидным огнеупорам (также относят: хромитопериклазовые, изготовляемые из смеси периклазового порошка с хромитовой рудой и содержащие 40-60% MgO и 15-35% Сг2О3; периклазошпинельные (> 40% MgO и 5-55% А12О3), шпинельные, состоящие в основном из шпинели состава MgO o А1203 и хромитовые огнеупоры (> 30 % Сг2О3 и < 40% MgO).
Магнезиальношпинелидные огнеупоры этих типов используют взамен более дорогостоящих магнезиальношпинелидных периклазохромитовых огнеупоров для футеровки менее ответственных частей (участков) сталеплавильных агрегатов, обжиговых печей и др. Применяют безобжиговые магнезиальношпинелидные огнеупоры для изготовления сталеразливочных стаканов и др.
17. Неформованные огнеупоры (non-shaped refractories) - огнеупоры, изготовленные без определенной форм и размеров в виде кусковых, порошковых и волокнистых материалов, а также паст и суспензий. К ним относят: металлургические заправочные порошки, заполнители и мелкозернистые компоненты для огнеупорных бетонов, огнеупорные цементы, бетонные смеси и готовые к применению массы, мертели, материалы для покрытий (в т.ч. торкрет-массы), некоторые виды волокнистых огнеупоров.
Неформованные огнеупоры могут быть сухими, полусухими, пластичными и жидкотекучими.
Неформованные огнеупоры применяют для выполнения и ремонта футеровок сталеразливочных ковшей (набивные и наливные кремнеземные, высокоглиноземные и магнезиальные массы); конвертеров (торкрет-массы), нагревательных и обжиговых печей (шамот, и высокоглиноземные массы), индукционных печей (корундовые и периклазовые массы), коксовых печей (обмазки), подин мартен, и электродуговых печей (заправочные порошки) и т. д. Неформованные огнеупоры применяют для рабочего слоя футеровки промежуточных и сталеразливочных ковшей, стен и сводов мартеновских печей, в набивных частях футеровки вакууматоров, печей ЦМ и др.
18. Оксидные огнеупоры (oxide refractories) - огнеупоры, содержащие > 97% высокоогнеупорных оксидов (BeO, MgO, CaO, A12O3, Cr2O3, ZrO2, ThO2 и др.) или их соединений и твердых растворов. Формованные оксидные огнеупоры изготовляют преимущественно из тонкозернистых порошков прессов, или литьем из суспензий с последующим обжигом, а неформованные оксидные огнеупоры - измельчением оксидов, обычно после предварительного обжига и введения необходимых добавок.
В металлургии оксидные огнеупоры применяют в виде изделий из технической керамики для аппаратуры при измерении высоких температур, датчиков контроля масс, доли кислорода в стали, тиглей для лабораторных плавильных печей, вкладышей в разлив, устройствах и др.
19. Периклазовые огнеупоры (periclase (mag-nesite) refractories) - магнезиальные огнеупоры, содержащие > 85% MgO. Периклазовые огнеупоры изготовляют из периклазового порошка с добавлением клеящей связки обжигом при 1600-1900°С; для безобжиговыех периклазовых огнеупоров используют связки из лигносульфонатового сульфата магния и др.
Периклазовые огнеупоры применяют для футеровки стенок мартеновских печей, миксеров, печей для плавки меди и никеля, высокотемпературных нагревательных печей, леток кислородных конвертеров и др., а также в виде плит шиберных затворов сталеразливочных ковшей, стаканов для разливки сталей, пористых фурм для продувки стали газами и т.п.
Неформованные периклазовые огнеупоры используют для изготовления мертеля, металлургических (заправочных) порошков, набивных масс для вакууматоров стали, индукционных печей и др.
20. Периклазоуглеродистые огнеупоры (periclase (magnesite)-carbon refractories) - огнеупоры, изготовленные из периклазового порошка с добавлением 6-25% природного или искусственного графита и органической связки (например, фенольной порошкообразной с этиленгли-колем или бакелита).
Периклазоуглеродистые огнеупоры применяют для футеровки устройств для подачи газа снизу в конвертерах с комбинированной продувкой и ответственных участков стен мощных электродуговых печей; для шлакового пояса электродуговых печей и сталеразливочных ковшей, а также шиберных затворов.
21. Плавленые огнеупоры (fused refractories) - огнеупоры, изготовленные расплавлением огнеупорных материалов и разливкой в формы. Для плавки большинства огнеупорных материалов используют электродуговые печи, а кварца - печи сопротивления и кислородные горелки.
Корундовые и корундомуллитовые плавленые огнеупоры применяют в виде блоков для изготовления подин нагреватательных печей и колодцев, днищ вакуум-камер и др., бадделеитокорундовые кварцевые плавленые огнеупоры - для футеровки стекловарных печей. Порошки плавленых периклаза, глинозема и шпинелей (MgO o А12О3; Mg o Сг2О3) используют для изготовления огнеупорных изделий и бетонов. Корундовые порошки из глинозема и боксита применяются также в производстве абразивов.
22. Полукислые огнеупоры (semi-silicious (silica-acid) refractories) - алюмосиликатные огнеупоры с массовой долей А12О3 от 14 до 28 %.
Полукислые огнеупоры применяют преимущественно для малоответственных участков футеровок металлургических агрегатов, в т.ч. коксовых печей, в виде капсул для определения серы и углерода в чугуне, стали и др.
23. Смолодоломитовые огнеупоры (tar-dolomite refractories) - формованные на прессах изделия из порошка обожженного доломита (крупность зерен до 6-8 мм), смешанного при нагревании до 100-120°С с 4-6% каменноугольной смолы или пека. Смолодоломитовые огнеупоры имеют кажущуюся плотность 2800-2900 кг/м3, предел прочности при сжатии 2000-4000 МПа, устойчивы против основных шлаков. При добавке в массу магнезитового порошка изделие называются смолодоломитомагнезитовыми.
Смолодоломитовые огнеупоры применяются для футеровки кислородных конвертеров. Иногда смолодоломитовые огнеупоры применяют в кладке дуговых сталеплавильных печей.
24. Смоломагнезитовые огнеупоры (tar-magnesite refractories) - изделия и массы, приготовленной из обожженного магнезитового (периклазового) порошка смешением при нагреве до 100-120°С с 4-6% каменноугольной смолы или пека. При содержании примеси < 2-3 % СаО стойки к гидратации на воздухе; применение аналогично смолодоломитовым огнеупорам.
25. Углеродистые огнеупоры (carbon refractories) - огнеупоры, состоящие преимущественно из свободного углерода или содержащие углерод в качестве основного компонента.
К углеродистым огнеупорам относят: угольные и графитированные блоки, изготовленные из кокса и термоантрацита с каменноугольной смолой, пеком, битумом, антрацитовым маслом, обжигаемые при 1100-1450°С; графитированные изделия из нефтяного кокса с графитовой структурой и малым содержанием золы, получаемые обжигом при > 2000°С; пирографит - продукт разложения углеродсодержащего газа на нагретой поверхности и др. К углеродистым огнеупорам относят также углеродсодержащие огнеупоры, изготовленные из графита, огнеупорной глины, шамота (в т.ч. высокоглиноземистого), корунда и т.п.
Углеродистые огнеупоры отличаются высокой теплопроводностью, низким ТКЛР, хорошей стойкостью при взаимодействии с расплавами металлов и шлаками.
Углеродистые огнеупоры применяют для футеровки нижнего строения домен, печей, электротермических печей, агрегатов для плавки свинца, меди и др., а также для изготовления погружных стаканов, стопоров-моноблоков, вкладышей для изложниц, тиглей для плавки цветных металлов и др. Неформованные углеродистые огнеупоры из коксрвых порошков на каменноугольной смоле применяют для заполнения швов кладки, углеродсодержащие - для футеровки желобов домен, печей и др.
26. Цирконистые огнеупоры (zircon/zirconia refractories) - огнеупоры, на основе бодделеита ZrO2 (67,1 % ZrO2) и циркона (ZrSiO4). Цирконистые огнеупоры в зависимости от содержания ZrO2 подразделяют на: оксидциркониевые (> 85 % ZrO2), бадде-леитокорундовые (20-85 % ZrO2 и до 65 % А12О3), цирконовые (> 50 % ZrO2 и > 25 % Si2O,), оксидцирконийсодержащие (< 20 % ZrO2). Цирконистые огнеупоры отличаются высокой огнеупорностью (до 2600°С), хорошей стойкостью при взаимодействии с расплавами металлов и шлаков, высокой прочностью при 2200-2400°С и высокой термостойкостью.
Высокоплотную керамику из ZrO2 применяют в виде чехлов термопар, фильтров для сплавов, а также нагревательных элементов при температуpax до 2200°С в печах с резистивным и индукционным нагревом. Зернистые огнеупоры из ZrO2 используют в устройствах для разливки стали, для футеровки агрегатов с > 1800°С, тиглей для плавки ряда металлов и сплавов. Стаканы из циркона (в т.ч. с графитом) с добавлением пластифицированного компонента используют в промежуточных ковшах при разливке стали.
27. Шамотные огнеупоры (fireclay refractories) - алюмосиликатные огнеупоры, содержащие 28-45% А12О3 и 50-70 SiO2. Технология производства формованных шамотных огнеупоров включает: обжиг глины (каолина) при 1300-1500°С во вращающихся или шахтных печах, измельчение полученного шамота, смешивание со связующей глиной и водой (иногда с добавлением других связующих материалов), формование, сушку и обжиг при 1300-1400°С.
Шамотные огнеупоры применяют для футеровки доменных печей, сталеразливочных ковшей, нагревательных и обжиговых печей, котельных топок и др., а также для изготовления сифонных изделий для разливки стали.
Неформованные шамотные огнеупоры изготовляют из измельчения шамота и связующих материалов и применяют в виде мертелей, набивных масс, порошков, заполнителей бетонов и др. при выполнении и ремонте огнеупорных футеровок разных тепловых агрегатов.