Свойства огнеупоров

Важнейшим свойством является огнеупорность т.е. способность выдерживать без нагрузки воздействие высоких температур (более 1580^oС) не расплавляясь.

Определяется она путем сравнения поведения испытуемого и стандартного образцов при нагревании по определенному скоростному режиму. Образцы эти имеют форму усеченной пирамиды с основаниями в виде равносторонних треугольников со сторонами 2 и 8 мм высотой 30 мм. Одна из граней пирамиды расположена перпендикулярно основаниям. Образцы эти называются пироскопами. При нагревании пироскопы теряют форму, наклоняются. Момент касания верхушки пирамиды подложки определяет огнеупорность изделия испытуемого состава, если и стандартный образец ведет себя аналогичным образом.

Пористость огнеупоров. Поры могут быть открытыми и закрытыми. Различают общую, кажущуюся и закрытую пористость. Общая пористость определяется как отношение объема всех пор к объему изделия. Кажущаяся пористость – как отношение открытых пор к объему изделия. Закрытая пористость – как отношение объема закрытых пор к объему изделия.

Учитывая, что от пористости зависят многие свойства огнеупоров, установлено 8 групп пористости.

	откр. пор., %	общая пор., %
Особоплотные	<= 3	-
Высокоплотные	> 3 - 10	-
Повышенноплотные	> 10 - 16	-
Уплотнённые	> 16 - 20	-
Среднеплотные	> 20 - 30	-
Низкоплотные	> 30	< 45
Высокопористые	-	45 - 75
Ультрапористые	-	> 75

П_общ = 100 (1 - (P_каж / p)),

где p - истинная плотность материала;

P_каж = m/v - кажущаяся плотность материала;

m - масса абсолютно сухого образца;

v - объём абсолютно сухого образца.

Пористость некоторых огнеупорных изделий имеет такие значения (%):

• динас - 20-25;
• шамот - 24-30;
• высокоглиноземистые огнеупоры - 10-30;
• периклазовые огнеупоры - < 25;
• периклазо-хромитовые огнеупоры - < 23.

Механическая прочность при комнатной температуре характеризуется хрупким разрушением при сжатии. В качестве показателя используется предел прочности при сжатии _сж. Для обычных изделий _сж = 20-50 МПа, для плотных – до 100 МПа, т.е. прочность зависит от пористости.

Значения _сж для некоторых огнеупоров такие, МПа:

• динасовые - 17,5-25;
• шамотные - > 25;
• высокоглиноземистые огнеупоры - > 45;
• периклазовые огнеупоры - > 40;
• хромопериклазовые огнеупоры - > 25.

Температура деформации под нагрузкой определяется под нагрузкой 0,2 МПа. При этом отмечают температуру начала деформации (размягчения), 4 % и 40 % сжатие образца высотой 50 мм и диаметром 36 мм. Деформация под нагрузкой при высоких температурах определяется количеством образующейся жидкой фазы и ее распределением в образце. Температура 4 % деформации является по существу предельной температурой службы огнеупора, а 40 % деформации – температурой разрушения образца.

Таблица 1 Деформационные свойства огнеупоров

Огнеупор и его характеристика	Количество стекла, % масс.	Огнеупорность, oС	Температура деформации под нагрузкой 0,2 Н/мм2, oС		Интервал деформации, oС
			начало размягчения	40 %-ное сжатие
1.Динасовый (96 % масс. SiO2)	10-15	1730	1660	1670	10
2.Периклазовый (92 % масс. MgO)	5-8	2300	1550	1580	30
3.Шамотный (40 % масс. Al2O3 + 55 % масс. SiO2)	около 50	1750	1400	1600	200
4.Корундовый (99 % масс. Al2O3)	около 0,5	2050	1900	1950	50

В реальных условиях действительные нагрузки на огнеупор колеблются в пределах от нескольких до 30 МПа и никогда не превышают 80 МПа.

Термостойкость – это способность огнеупоров выдерживать без разрушения резкие колебания температуры.

Термостойкость характеризуется числом теплосмен, т.е. циклов нагрева и охлаждения. Различают водяные и воздушные теплосмены.

При водяных теплосменах образец (кирпич 230x113x65 мм) нагревают до 1300^oС, выдерживают его 10 мин при этой температуре, а затем охлаждают в проточной воде (5-25^oС) в течение 5 мин. Эти циклы (теплосмены) продолжают до тех пор, пока образец не потеряет 20 % первоначальной массы. Большое влияние на термостойкость оказывает химико-минералогический состав и зерновой состав огнеупора.

Термостойкость Тс₁₃₀₀ – вода некоторых огнеупоров равна: динасовых – 1-2; шамотных – 10-25; высокоглиноземистых – 15-20; периклазовых – 1-2; периклазохромитовых – 5-20.

При воздушных теплосменах кирпич нагреваю до 800^oС и охлаждают в потоке компрессорного воздуха до потери 20 % массы. В настоящее время этот метод не используется.

Химическая стойкость. До 70 % огнеупоров разрушается в результате взаимодействия со шлаком, металлом и газами. Наиболее сильное разрушающее воздействие оказывают шлаки. Разрушающее действие шлака носит сложный характер и оценить шлакоустойчивость огнеупора одим показателем сложно. Здесь сказывается состав огнеупора, его пористость, температура взаимодействия, гидродинамические условия.

Как правило, основные огнеупоры хорошо противостоять основным шлакам. Кислые—кислым. Нейтральные – примерно одинаково противостоят и кислым, и основным шлакам.

Стандартной методики определения шлакоустойчивости нет. В лабораторных условиях она определяется тигельным способом. Изготавливается тигель из исследуемого огнеупора и заполняется шлаком известного состава. Заполненный тигель помещают в печь и выдерживают при температуре 1500^oС в течение 3 4 часов. Шлакоустойчивость определяется по величине разрушения образца. Качественно процессы химического взаимодействия огнеупоров с расплавами описываются следующими правилами: химических состав огнеупора и особенно ее связка должны соответствовать основности шлака. Динасовые и алюмосиликатные огнеупоры образуют с FeO наиболее легкоплавкие расплавы; периклазовые обладают минимальной растворимостью, оксид кальция с динасовыми и алюмосиликатными огнеупорами образует легкоплавкие соединения, а с MgO высокоогнеупорные составы. По этой причине MgO и CaO находят широкое применение для футеровки мартеновских печей и кислородных конвертеров.

Постоянство объема. Сохранение постоянного объема – важная характеристика огнеупоров, потому что в этом случае в кладке не возникает дополнительных напряжений. Это особенно важно для сводов и арок. В действительности все огнеупоры во время службы в тепловых устройствах испытывают рост или усадку вследствие усадки материала или термического расширения.

Дополнительную усадку или рост определяют по разности объемов образца, измеренных до и после обжига при заданной температуре по формуле:

где V₀ и V₁ – объемы образца до и после обжига.

Линейную усадку или рост определяют по формуле:

Дополнительная усадка или рост не должны превышать в условиях службы 0,5-1,0 %.

Температурный коэффициент линейного расширения  для разных огнеупоров в интервале температур 20-1000^oС имеет такие значения:

• шамот - 4,5-6,0;
• корундовые огнеупоры - 8,0-8,5;
• периклазовые огнеупоры - 14-15;
• динасовые огнеупоры - 11,5-13,0;
• хромопериклазовые огнеупоры - 10,0.

Зная величину , можно рассчитать величину температурного шва кладки в миллиметрах на 1 м по формуле:

Например, для периклазовой кладки:

Принята температура кладки 1800^oС.

Кроме перечисленных свойств практическое значение имеют теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, газовая проницаемость, аккумулирующая способность огнеупоров и др.

Теплоемкость всех твердых тел, по закону Дюлонга-Пти, примерно одинакова – 25,116 Дж/г ат*К. Теплоемкость огнеупоров оценивается по теплоемкости ведущих оксидов: MgO, Al₂O₃, SiO₂, CaO, удельная теплоемкость которых соответственно равна: 37,920; 70,101; 44,496; 50,447 кДж/моль К. Огнеупоры имеют теплоемкость 0,04-0,96 кДж/кг*К.

Теплопроводность огнеупорных материалов зависит от составляющих фаз и характера их структуры и определяется той фазой, которая является сплошной средой. В общем случае она определяется формулой (Вт/м*К):

Аккумулирующая способность огнеупоров характеризует способность материала принимать при нагреве и отдавать при охлаждении теплоту. Она выражается формулой (Втxс^0,5/м²xК):

Эта величина имеет большое значение при выборе огнеупоров, работающих в периодических условиях: футеровка печей, насадка регенератора и т.п.

Характеристика теплофизических свойств некоторых огнеупоров приведена в табл. 2.

Таблица 2 Теплофизические свойства огнеупоров при температурах 20, 500, 1000^oС

Огнеупор	Теплопроводность, Вт/м*К			Теплоемкость, кДж/кг*К			Температуропроводность, м2/с			Плотность, г/см3
	20	500	1000	20	500	1000	20	500	1000
шамот	1,16	1,34	1,51	0,83	1,0	1,08	0,70	0,67	0,70	2,0
динас	1,16	1,40	1,63	0,79	0,96	1,0	0,77	0,77	0,86	1,9
периклаз	5,82	4,66	3,50	0,92	1,08	1,08	2,42	1,66	1,25	2,6
корунд	29,1	10,0	5,82	0,83	1,0	1,08	9,2	2,74	1,42	3,8

Источник: 
"Огнеупоры и их эксплуатация"
Дюдкин Д.А., Ухин В.Е.