Динасовые огнеупоры
Динасом называется огнеупорный материал, изготовленный из кварцитовых или кварцевых пород и содержащий не менее 93 % SiO2.
Кремнезем может существовать в одной аморфной и семи кристаллических модификациях, которые, имея один и тот же химический состав, различаются между собой некоторыми свойствами (формой кристаллов, плотностью, коэффициентом светопреломления и др.). Кристаллические модификации кремнезема называются как кристаллы, встречающиеся в природе: кварц, тридимит и кристобалит с подразделением каждой из главных форм на α-, β- и γ фазу.
В природе наиболее распространен β-кварц. Он встречается самостоятельно под названием «кварц» и в виде составной части многих горных пород: гранитов, гнейсов, песчаников и др. При нагреве кремнезем переходит из одной модификации в другую. Превращения SiO2 могут идти двумя путями, существенно отличающимися друг от друга. К первому относятся превращения между различными модификациями внутри главных форм кремнезема: кварца, тридимита и кристобалита (рис.). Превращения эти обратимы и протекают быстро.
Ко второй группе относятся превращения между главными формами кремнезема — такие превращения совершаются весьма медленно, причем превращения кварца в тридимит или кристобалит практически необратимы.
Схема полиморфных превращений кремнезема при обжиге динаса (рис)
Скорость протекания медленно идущих превращений растет с повышением температуры, увеличением измельченности, а также в присутствии минерализаторов (плавней). При производстве динаса ими служат известь и вещества, содержащие закись железа. В процессе обжига динаса СаО и FeO образуют с кермнеземом легкоплавкие силикаты, которые при высоких температурах растворяют кремнезем. Из пересыщенного раствора кремнезем выкристаллизовывается в виде той модификации, которая менее растворима при температуре кристаллизации.
Так как модификации кермнезема имеют разные плотности, при превращениях изменяются объемы (см. рис.).
О степени перехода кварца в тридимит и кристобалит можно судить по плотности обожженных изделий. Чем меньше плотность, тем полнее переход. При обжиге желательно кварц максимально перевести в тридимит, который имеет меньшее изменение объема при охлаждении. Если выложить печь из слабообожженного кирпича, в котором кварц не перешел в кристобалит или тридимит, то эти превращения произойдут в кладке при разогреве печи. При этом объем кирпичей значительно увеличится, и кладка может разрушиться. Динасовые изделия, в которых при обжиге большая часть кварца перешла в тридимит или кристобалит, называются тридимитизирован-ными или тридимито-кристобалитовыми.
Сырьем для производства динаса служат кварциты, содержащие не менее 95 % SiO2. Кварциты состоят из мелких и микроскопических зерен кварца, сцементированного кремнеземом с небольшим количеством примесей других соединений. Огнеупорность кварцитов зависит от их химико-минералогического состава, но не должна быть ниже 1750° С.
После дробления и измельчения на бегунах кварциты просеивают на несколько фракций. Гранулометрический состав шихты зависит от характера сырья, способов его обработки и назначения изделий. Динасовая шихта составляется из зерен кварцита размером от тончайшей муки до 5—6 мм. Для связывания кварцитовых зерен в сырце, а также для ускорения превращения кварца обычно добавляется 1,5—3 % извести в виде известкового молока. Смесь кварцитов с известковым молоком проминают катками бегунов. После формовки на прессах и сушки сырец обжигают в туннельных печах.
Обжиг динаса — самая ответственная операция. Подъем температуры должен быть равномерным и медленным, особенно в точках перехода кварца из одной модификации в другую. При быстром подъеме температуры кварцевые зерна растрескиваются, кирпич сильно увеличивается в объеме и разрыхляется. Кроме того, чем быстрее повышается температура, тем меньше образуется жидкой фазы. При достаточном количестве жидкой фазы она заполняет пространство между рекристаллизующимися зернами кварца и воспринимает возникающие при этом напряжения. При недостаточном количестве жидкой фазы происходит так называемое сухое превращение α-кварца в α-кристобалит, при этом сырец вследствие сильного увеличения объема разбухает и растрескивается.
Максимальная температура обжига не должна превышать 1460° С, так как при более высокой температуре в α-кристобалит превращается не только α-кварц, но и α-тридимит. Большое количество кристобалита в динасе нежелательно, так как при этом будет сильно изменяться объем при нагревах и охлаждениях. При охлаждении обожженного динаса необходимо также соблюдать осторожность, особенно при переходе кремнезема из одной модификации в другую. Условия обжига динаса нужно соблюдать и при разогреве печей.
Для динасовых изделий характерны сравнительно невысокая Огнеупорность (1710—1720° С), но высокая температура начала деформации под нагрузкой (1620—1660° С). Тридимито-кристобалитовый динас сохраняет механическую прочность и не меняет формы почти до температуры плавления. Поэтому динасовый кирпич находит широкое применение в металлургии особенно там, где требуется высокая механическая прочность при высоких температурах. Термостойкось динаса очень мала, не более двух теплосмен, однако при медленном разогреве и охлаждении динас способен хорошо переносить многократные теплосмены и при этом не терять механической прочности.
По химической стойкости динас является типично кислым огнеупором. Изменение размеров при нагреве хорошо обожженного, полностью рекристаллизованного динаса незначительно. Но так как при изготовлении кирпичей полного превращения кварца не достигают, то некоторое увеличение в объеме при повторных нагревах имеет место. Так, при нагреве до 1450° С изменение линейных размеров достигает 1,6—2,1 %, а последующее расширение может достигать 0,7 %. Это следует учитывать при кладке печи, предусматривая температурные швы.
Динасовые огнеупоры широко применяются для кладки сводов плавильных печей в связи с отсутствием у них дополнительной усадки при длительных сроках службы в условиях высоких температур.
Высокоплотный динас с содержанием не менее 98 % Si02 и кажущейся пористостью около 10 % изготавливается из высококремнеземистых чистых кварцитов, причем сырец до обжига подвергается сильному прессованию.
Высокоплотный динас обладает повышенной огнеупорностью (до 1740° С) и термостойкостью. Имея меньшую пористость, он более устойчив к воздействию шлаков. Применяется для футеровки высокотемпературных плавильных печей. Электродинас по характеристикам близок к высокоплотному динасу. Используется для футеровки сводов электроплавильных печей.
