К огнеупорным материалам для электропечей предъявляют следующие требования:

Достаточная огнеупорность.

Достаточная механическая прочность при высоких температурах.

Способность выдерживать, не растрескиваясь, резкие колебания температуры (стойкость к термоударам).

Сопротивляемость химическим воздействиям при высоких температурах.

Достаточно малая теплопроводность.

Малая теплоемкость.

Малая электропроводность, как при низких, так и при высоких температурах.

Дешевизна и доступность материалов.

Огнеупорностью в соответствии с ГОСТ 4069 - 69 называется свойство материала противостоять не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность материала определяется на сделанном из него образце "конусе", имеющем форму усеченной трехгранной пирамиды. Под действием нагрева материал образца постепенно размягчается, и его вершина начинает склоняться к основанию. Температура "падения" образца, когда его вершина достигнет уровня основания, принимается за огнеупорность образца. Так как эта температура может меняться при изменении скорости нагрева, то устанавливают ее не непосредственным измерением, а "пироскопами".

У огнеупорных материалов огнеупорность лежит между 1580 и 17700С. Материалы с огнеупорностью больше 17700С, называются высокоогнеупорными.

Некоторые материалы, являясь достаточно огнеупорными, теряют свою прочность задолго до температуры размягчения и поэтому могут работать механически нагруженными лишь до ограниченных температур. Для того чтобы охарактеризовать способность материала работать в нагруженном состоянии при высоких температурах, определяют в соответствии с ГОСТ 4070 - 48 температуру его деформации под нагрузкой 196,2 кПа. При этом отмечают температуру начала размягчения (НР) образца и температуры его сжатия 4 и 40%.

У некоторых материалов диапазон между началом размягчения и 40% -ным сжатием достаточно большой, и температурный интервал равен 100 - 2000С. У других этот интервал измеряется лишь 20 - 300С (рис.1). Динас и магнезит сохраняют прочность почти до температуры разрушения, другие же материалы теряют прочность задолго до наступления разрушения.

Способность выдерживать, не растрескиваясь, резкие колебания температуры особенно нужна в материалах, применяемых в печах, работающих периодически, а также в зонах с резкими колебаниями температуры. Для определения стойкости к термоударам кирпич быстро нагревают с торца в электрической печи до 8500С, охлаждают в проточной вод, вновь нагревают и так до потери им 20% начальной массы из-за скалывания кусков. Таким образом, стойкость материала к термоударам оценивается по числу водяных теплосмен, которые он выдерживает, данные для некоторых термоупорных материалов даны в табл.1.

Таблица 1. Стойкость к термоударам огнеупорных материалов

Иногда стойкость материала к термоударам определяют по числу воздушных теплосмен, которые он выдерживает.д.ля этого раму с кирпичами подвергают сначала одностороннему нагреву, а затем охлаждению вентилятором. Это испытание является менее жестким.

Сопротивляемость химическим воздействиям при высоких температурах является также весьма важным свойством для огнеупоров. Необходимо, чтобы огнеупорные материалы не вступали в химические соединения с обрабатываемыми в печи изделиями или с материалом нагревательных элементов, а также с атмосферой печи, так как это опасно не только для самих огнеупоров, но может вывести из строя нагреватели печи или привести к браку изделий. В некоторых печах нагреваются и расплавляются кислые материалы, а в других - основные; очевидно, что и огнеупоры этих печей также должны быть соответственно кислыми в первом случае и основными во втором во избежание химических реакций с этими материалами или шкалами.

Рис.1. Температуры деформации некоторых огнеупоров.

1 - шамотный кирпич класса А; 2 - шамотный кирпич класса Б; 3 - полукислый; 4 - динасовый; 5 - муллитовый; 6 - магнезитовый.

Малая теплопроводность требуется от огнеупорных материалов, так как они отделяют нагретую камеру печи от окружающей среды и через них из камеры проходит поток тепла. Хотя эти потери ограничиваются в основном теплоизоляцией печи, а не огнеупорным слоем, все же температурный перепад в последнем часто является достаточно заметным, а главное он снижает максимальную рабочую температуру теплоизоляции и тем самым увеличивает срок ее службы.

Малая теплоемкость огнеупорных материалов обеспечивает уменьшение аккумулированного футеровкой тепла. Правда, иногда значительная аккумуляция тепла кладкой является положительным фактором, стабилизирующим тепловой режим печи, однако большей частью она приводит к существенному перерасходу энергии, особенно при частых разогревах.

Малая электропроводность огнеупоров желательна, потому что в электрических печах сопротивления они могут применяться как электрические изоляторы для нагревательных элементов, что удешевляет и упрощает кладку. Наконец, требование дешевизны и доступности выдвинуто потому, что огнеупоры являются массовыми материалами, потребляемыми в больших количествах не только при изготовлении печей, но и их эксплуатации. Особенно много огнеупоров потребляют дуговые сталеплавильные и рудотермические печи.

Огнеупорные материалы применяются в виде сплошных и пористых кирпичей и фасонных камней. Фасонные камни изготавливаются самых различных конфигураций и размеров, причем, как правило, чем больше размер камня, тем труднее его изготовить и тем он дороже, но зато тем надежнее кладка, набранная из таких камней.

Огнеупорные материалы применяются иногда и в виде порошка, огнеупорных бетонов, набивных масс и обмазок, а также в виде мелких готовых деталей - трубок, крючков, втулок и т.п., главным образом в электрических печах сопротивления в качестве изоляторов нагревателей.

Огнеупоры являются массовыми материалами, поэтому значительное применение нашли лишь такие соединения, которые широко распространены на земной поверхности и могут добываться непосредственно из карьеров. Исключением являются некоторые высокоогнеупорные материалы, отличающиеся весьма ценными свойствами, но дорогие и редкие или получаемые искусственным путем.

Основой огнеупорных и высокоогнеупорных материалов являются три огнеупорных окисла - кремнезем, глинозем и окись магния - периклаз. Они распространены в природе, образуя друг с другом и другими веществами многочисленные соединения. Особенно широко используется система "кремнезем - глинозем".

2.1. Огнеупорные изделия

Наибольшие применения в электрических печах сопротивления нашла группа шамотных изделий с содержанием глинозема от 35 до 45%. Шамотными называются изделия, изготавливаемые из огнеупорных глин или каолинов, смешанных с шамотом, т.е. с предварительно обожженными в кусках теми же глинами. Это наиболее распространенный вид огнеупорного материала. Чем больше глинозема в глине, тем выше огнеупорность получаемых изделий. В электрических печах желательно применять шамотный кирпич первого сорта с содержанием не менее 38% глинозема.

Изготовлять огнеупорные изделия непосредственно из сырой глины нельзя, так как она при обжиге дает очень большую усадку и изделия растрескиваются. Поэтому глину предварительно обжигают в комках примерно 13000С и получают, таким образом, шамот. Этот шамот после дробления и помола смешивается с предварительно подсушенной глиной. Полученная смесь после увлажнения проходит глиномешалку и предварительно формуется в ленточных прессах. Затем производится допрессовка сырца в прессах давлением 2-4 МПа, а его сушка и обжиг в печи 1350 - 14000С в течении трех - пяти суток в зависимости от типа печи.

При этом способе пластичного прессования масса увлажняется до 16 - 20%. При полусухом прессовании влажность ее составляет лишь 8 - 9%, но изделия прессуют при давлении около 20 МПа.

Для изготовления фасонных изделий, а также изделий ответственного назначения количество шамота увеличивают до 80 - 85%, снижая соответственно содержание в массе глины.

Такие многошамотные изделия прессуют при давлении 30 - 50 МПа и получают изделия высокой плотности и прочности. Для многошамотных изделий усадка в обжиге не превышает 0,5 - 1,0%, что обеспечивает сохранение их формы и точность размеров деталей.

Шамотные кирпичи имеют светло-желтый цвет, равномерный зернистый излом; масса стандартного кирпича 3,2 - 3,3кг. По ГОСТ 390 - 69 шамотные изделия по своей огнеупорности делятся на три класса: класс А имеет огнеупорность не ниже 17300С; класс Б - не ниже 16700С; класс В - не ниже 16100С. Однако рабочая температура шамота намного ниже, так как он теряет свою механическую прочность уже при 1300 - 14000С; предельные рабочие температуры шамота 1350 - 14500С.

Шамот имеет сравнительно малый коэффициент расширения и хорошо выдерживает резкие колебания температуры. В зависимости от способа изготовления стойкость изделий к термоударам составляет:

Пластичное прессование……………8 - 15 водяных теплосмен

Полусухое прессование……………. .15 - 25. То же

Пневматическое трамбование………25 - 30

Многошамотные…………………….50 - 100

Шамотные изделия имеют низкую электропроводность, что позволяет использовать шамот в электрических печах одновременно и как огнеупорный, и как электроизоляционный материал.

Шамот является наиболее распространенным огнеупорным материалом, он широко применяется в электропечестроении, особенно в строительстве печей сопротивления. Так как эти печи работают в основном при температурах не выше 13000С, то огнеупорный и механические свойства шамота вполне удовлетворяют предъявляемым этими печами требованиям. Наоборот, для дуговых и индукционных печей шамот во многих случаях оказывается недостаточно огнеупорным и его применение ограничивается менее ответственными или наружными частями футеровки.

Шамотно - каолиновые изделия изготавливаются из каолиновых глин, имеющих повышенное содержание глинозема, причем их подвергают более высокому обжигу. Благодаря этому они имеют несколько большую огнеупорность и увеличенную температуру деформации под нагрузкой. В таблице 2 дается сравнительная характеристика шамотных шамотно - каолиновых изделий.

С увеличением содержания глинозема огнеупорность изделий повышается, поэтому весьма заманчивым является использование минералов с высоким содержанием глинозема. Такими минералами являются силлиманиты или аналогичные им минералы кианиты андалузиты. При обжиге при температуре свыше 15500С в этих минералах образуются муллит и свободная кремнекислота, образующая вместе с плавнями стекловидную фазу. Муллит содержит уже 72% глинозема и 28% кремнезема и его огнеупорность равна 18700С, однако присутствие стекловидной фазы в муллитовых изделиях снижает их огнеупорность.

Таблица 2. Сравнительные характеристики шамотных и шамотно-каолиновых изделий.

Добытые материалы после предварительного обжига и помола смешиваются со связующими веществами, формуются, подвергаются сушке и обжигаются при температуре не ниже 15500С. В результате получаются силлиманитовые изделия, отличающиеся хорошими огнеупорностью и механической прочностью при высоких температурах.

Еще более высококачественные изделия изготавливают из плавленого муллита, получаемого расплавлением боксита в присутствии кокса древесных опилок в электрической дуговой печи. Полученный материал после размельчения смешивается с глиной, формуется и обжигается при 1500 - 17000С.

Плавильный муллит обладает малым коэффициентом расширения, поэтому выполненные из него изделия являются весьма термостойкими и не растрескиваются при резких изменениях температуры; их огнеупорность 1800 - 18500С, начало деформации под нагрузкой 196,2 кПа у лучших сортов достигает 17000С.

Плавленый муллит применяется главным образом для изготовления мелких изделий, а также в качестве формовочного материала для индукционных плавильных печей.

Кроме того, он также применяется в стеклоплавильных печах. Для этой цели полученный в электролитической печи муллит отливается в формы и после длительного весьма медленного охлаждения в виде плавленых муллитных брусьев идет на выкладку ванн стеклоплавильных печей. Такой литой муллит имеет среднюю плотность 3300кг/м3, предел прочности на сжатие 300 - 500 МПа, температура начала размягчения под нагрузкой 196,2 кПа 1700С.

Из гидратов глинозема также могут быть получены высокоогнеупорные высокоглиноземистые изделия. Природные гидраты глинозема - диаспоры и бокситы - сильно загрязнены минеральными примесями. Поэтому хотя на базе обогащенного акташского диаспора можно получать изделия с содержанием глинозема до 68%, их свойства приближаются к свойствам силлиманитовых изделий.

Искусственный гидрат глинозема, получаемый путем химической переработки бокситов и прокаленный при 1000 - 12000С, превращается в технический глинозем, содержащий до 99,0 - 99,5% глинозема. Из технического глинозема спеканием его с глиной может быть получен муллито-корундовый шамот, а последний по способу изготовления много шамотных изделий позволяет получить корундовые изделия с содержанием глинозема около 73%, со средней плотностью 2700кг/м3, огнеупорностью свыше 18000С и с температурой начала деформации под нагрузкой 196,2 кПа в 15800С.

Из технического глинозема могут быть получены и чистые корундовые рекристаллизованные изделия. Для этой цели производиться дополнительный обжиг глинозема при температуре 1450 - 16000С, его размельчение и формирование из него изделий с последующим вторичным обжигом при 17000С. Полученные рекристаллизованные изделия содержат до 99,0 - 99,7% глинозема, обладают огнеупорностью выше 20000С и температурой начала деформации под нагрузкой 196,2 кПа в 19000С. Однако большая усадка их и сравнительно невысокая нагревостойкость позволяют изготовлять таким путем лишь тонкостенные, полые и небольшого размера изделия. Поэтому из того же глинозема, а также из белого электрокорунда или монокорунда со связкой из высокодисперсного рекристаллизованного корунда получают более совершенные по своим свойствам корундовые изделия также с огнеупорностью около 20000С и с температурой начала деформации под нагрузкой 196,2 кПа в 18500С.

На противоположном конце системы SiO2-А12О3 находится динас, материал, имеющий явно выраженный кислый характер. Поэтому динас применяется главным образом для выкладки футеровки дуговых и индукционных сталеплавильных печей, работающих с использованием кислых - шлаков. Замечательным свойством динаса является его механическая прочность при высоких температурах. В то время как остальные материалы снижают постепенно свою прочность по мере повышения температуры, динас сохраняет свои механические свойства почти до температуры расплавления. Ввиду этого он является одним из самых прочных огнеупорных материалов и поэтому идёт на выкладку нагруженных частей футеровки, сводов и арок дуговых сталеплавильных и руднотермических печей.

Основным сырьем для изготовления динаса являются кварциты. Динасовый кирпич имеет белый или слегка желтоватый цвет, в изломе, видны зерна кварца. Масса стандартного кирпича 3,2-3,3 кг. В соответствии с ГОСТ 4157-69 и 156Б-71 - динасовые изделия могут быть отнесены к -I, II или особому классу или к электродинасам (изделия для электросталеплавильных печей)

Недостатком динасового кирпича является его склонность к растрескиванию при резких колебаниях температуры. Наиболее тяжелым условиям динас подвергается в сводах сталеплавильных печей, на внутренней поверхности которых тёмпература доходит до 1750 0С. При этой температуре поверхность кирпича оплавляется, свод печи изнутри покрывается сосульками и он держится в основном наружными, более холодными частями кирпичей. Кроме того, свод периодически охлаждается, особенно в печах с верхней загрузкой. Срок службы свода в таких условиях, понятно невелик и измеряется десятками часов. Поэтому для сводов крупных дуговых сталеплавильных печей рекомендуется применять лишь электродинас, изготовленный из особо плотных кварцитов с содержанием SiO2 не менее 97,5%. Такой динас, имеющий и несколько большую огнеупорность и большую механическую прочность при высоких температурах, обеспечивает увеличение срока, службы свода дуговых сталеплавильных печей. В электрических печах сопротивления динасовые изделия применяются редко.

Весьма важная группа огнеупоров содержит в качестве основной составляющей периклаз (окись магния МgO), обладающий в чистом виде очень высокой огнеупорностью (2800 °С). К этой-группе относятся магнезитовые огнеупоры, изготавливаемые в основном из горной породы магнезита.

В результате обжига и ряда операций получаются магнезитовые кирпичи темно коричневого цвета, масса стандартного кирпича 4,5кг.

В соответствии с ГОСТ 4689-63 - огнеупорность магнезитовых изделий должна быть не менее 2000 0С, предел прочности на сжатие при нормальной температуре не ниже_ 40 МПа, температура начала размягчения при нагрузке 196,2 кПа, не менее 1500 °С.

Магнезитовые кирпичи применяются главным образом для выкладки футеровки металлургических печей, мартеновских и дуговых электросталеплавильных, работающих на основном процессе, а также некоторых руднотермических печей. Обладая высокой огнеупорностью эти кирпичи в то же время не имеют достаточной прочности при высоких температурах и достаточной термоустойчивости. Поэтому они не могут быть использованы для выкладки сводов и арок печей, работающих на основном процессе, их приходится выполнять из динасового кирпича, как более прочного.

2.2. Огнеупорные растворы, бетоны, набивные массы и обмазки

Связующие огнеупорные растворы - мертели служат для заполнения швов между кирпичами огнеупорной кладки. При этом получаются тонкие швы, обладающие достаточно высокой огнеупорностью и высокой температурой деформации под нагрузкой и по свои свойствам приближаются к свойствам связывающего кирпича. Шамотные мертели представляют собой тонкомолотые смеси шамота или боя шамотного кирпича с огнеупорной глиной. В соответствии с ГОСТ 6137 - 61 по огнеупорности они выполняются четырех классов.

Динасовые огнеупорные растворы представляют собой смеси из молотого кварцита, боя динасового кирпича и огнеупорной глины и динасовые мертели делятся на три класса.

Магнезитовая кладка всегда выкладывается всухую, без раствора, с пересыпкой швов мелким металлургическим порошком, так как впитывающий из раствора влагу магнезитовый кирпич приобретает склонность к растрескиванию при нагреве.

В отличии от растворов, связывающих огнеупорные кирпичи или камни друг с другом, огнеупорные массы - бетоны, набивные и наварные массы - служат для изготовления целых монолитных частей футеровок.

Огнеупорные бетоны состоят из связующих - гидравлических твердеющих глиноземистого цемента или портландцемента или жидкого стекла и заполнителей - шамотного порошка, хромита, а для легковесных термоизоляционных бетонов в качестве наполнителя используют молотый пористый шамот.

В настоящее время огнеупорные бетоны находят все большее применение, и, в частности, начинают проникать в электропечестроение.

2.3. Пористые огнеупоры

Основным огнеупором, применяемым в электрических печах сопротивления является шамот. Однако шамотные изделия для большинства печей сопротивления (работающих до 1000°С) обладают излишней огнеупорностью и механической прочностью и в то же время имеют недостаточное тепловое сопротивление и чересчур большую среднюю плотность. Поэтому в электропечестроении все большее распространение получают искусственные материалы, обладающие за счет пониженной механической прочности большим тепловым сопротивлением и меньшей средней плотностью, так называемые легковесы и пористые огнеупорные изделия. Применение их особенно желательно для печей периодического действия, так как при этом благодаря уменьшению массы огнеупорной кладки соответственно снижается аккумулируемое ею при каждом разогреве тепло, кроме того, уменьшаются также тепловые потери печи. В то же время механическая прочность кладки почти всегда оказывается достаточной. Для кирпичей работающих в сводах, арках и других нагруженных частях кладки, нагрузка обычно не превосходит 200кПа, а в стенах 100кПа. Достаточной прочностью в холодном состоянии обладает почти всякий легковес.

Наиболее простой способ придать огнеупорным изделиям малую теплопроводность и сделать их легкими - это искусственное увеличение их пористости. Воздух обладает весьма малой теплопроводностью. Но тепло через воздушные поры может передаваться не только теплопроводностью, внутри пор могут возникать конвекционные токи; кроме того, в них тепло может передаваться от стенки к стенке излучением. Для того чтобы свести к минимуму оба эти фактора, необходимо, чтобы поры были замкнутыми и малыми, чтобы их величина измерялась долями миллиметра или 2-3 мм. В этом случае в них не смогут развиваться конвекционные потоки, да и лучистая энергия встретит на своем пути множество поперечных стенок, играющих роль тепловых экранов.

Существует несколько способов приготовления легковеса, каждый из которых дает свой специфический продукт со своими особыми свойствами.

Наиболее старым и распространенным является способ выгорающих добавок, при котором в массу добавляют измельченные древесный уголь, опилки, торф или пробку. При обжиге они выгорают, и на их месте образуются поры.

Значительно более прочным является динасовый легковес, выполняемый из молотого кварцита с антрацитом или кокситом. Изделия получаются со средней плотностью 1200 кг/м3 и с температурой начала размягчения 1550°С при нагрузке в 100 кПа.

Химический способ, образования легковеса - химлегковеса заключается в том, что шамотный порошок смешивается с небольшим количеством глины, доломита, серной кислоты и гипса.

Пеноспособ заключается в том, что шамот с глиной смешиваются с пенистой массой, образованной путем взбивания раствора из канифольного мыла. Полученная смесь вторично взбивается и образует пористую массу, укладываемую в формы. Стабилизатором ячеек служит столярный клей, добавляемый в массу и предохраняющий ее от оседания до обжига. Последний производится при 1300°С, после чего получаются изделия, называемые пенолегковесными.

Основными недостатками легковесов являются низкая шлакоустойчивость, небольшое сопротивление истиранию, малая стойкость к термоударам, а также высокая газопроницаемость. Поэтому их необходимо защищать от воздействия шлаков тонким слоем огнеупорного кирпича либо слоем огнеупорной обмазки и нельзя из легковеса выкладывать поверхности, по которым передвигают изделия, так как они быстро износятся, или их надо защитить жароупорными плитами или направляющими. Малая стойкость легковеса к термоударам обусловливает растрескивание футеровки при значительных колебаниях температуры. В этом отношении более стойкими являются легковесы, полученные способом, выгорающих добавок, а также пеношамоты. Для борьбы с газопроницаемостью легковесов применяют обмазки или герметизируют кожухи электропечей.

3. Теплоизоляционные материалы