3. Кремнеземистые огнеупорные материалы

Кремнеземистые огнеупорные материалы наиболее ши­роко представлены очень распространенными динасовыми изделиями. Динас содержит не менее 93 % SiO₂. Динасовые изделия формуют под давлением из смеси чистого кварцитового порошка, содержащего не менее 95 % SiO₂, и 1,5—2,5 % СаО. Затем изделия обязательно подвергают об­жигу в печах по специальному графику. Обжиг динаса — это сложный процесс, так как при нагреве в кремнеземе происходит перекристаллизация с переходом его из одной модификации в другую.

Нагрев и охлаждение при обжиге необходимо проводить осторожно, с остановками, для того чтобы дать возмож­ность завершиться процессам перекристаллизации кремне­зема и избежать растрескивания кирпича в связи с увели­чением объема. Цикл обжига динаса длится сотни часов.

Применение и свойства динасовых огнеупоров. Динасовые изделия, содержащие свыше 93—94,5 % SiO₂, исполь­зуются для выполнения сводов сталеплавильных печей, футеровки коксовых печей, насадок кауперов и других регене­раторов, вагранок и реже нагревательных печей. Их не рекомендуется использовать в футеровке, подвергающейся регулярному охлаждению ниже 700—800 ^СС. В настоящее время производят динасовые изделия нескольких видов: для коксовых печей, для марте­новских печей, для сводов электросталеплавильных печей, для насадок регенераторов мартеновских и воздухонагрева­телей доменных печей и др. Кроме изделий, из кварцитов выполняют набивные футеровки кислых мартеновских пе­чей, электропечей и плавильного пояса вагранок. Выпуска­ются также изделия из динасового огнеупорного бетона (блоки и панели).

Динас является кислым материалом, поскольку его ог­неупорной основой служит SiO₂, Поэтому он хорошо сопро­тивляется кислым (кремнеземистым) шлакам, но при тем­пературе свыше 1450 °С его шлакоустойчивость понижается.

Для футеровки сводов электрических дуговых печей применяется высокоплотный динас, изготовляемый из чис­тых кварцитов. Эти изделия содержат свыше 96 % SiO₂ и характеризуются несколько более высокой температурой службы.

Изделия из динасового бетона имеют более низкую плотность (1800 кг/м³) и температуру службы (1500°С).

4. Алюмосиликатные огнеупорные материалы

Алюмосиликатные материалы имеют в качестве огне­упорной основы оксиды алюминия и кремния (А1₂Оз и SiO₂). Структура, свойства и область применения этих ма­териалов зависят от содержания А1₂О₃ и SiO₂. По этому признаку их разделяют на полукислые (15—30 % А1₂О₃), шамотные (30—46 % А1₂Оз) и высокоглиноземистые (свы­ше 46 % А1₂О₃).

Шамотные изделия

Их изготовляют из огнеупорных глин и каолинов, содер­жащих водный каолинит Al₂O₃-2SiO₂-2H₂O. Это сырье подвергают предварительному обжигу с целью получения безводного каолинита Al₂O₃-2SiO₂, который размалывают и просеивают. Смесь необожженной глины и безводного каолинита (в равных количествах) увлажняют и из этой пластической массы посредством прессования под высоким давлением изготавливают изделия требуемой формы. Их сушат, а затем обжигают при температуре, возрастающей до 1400 °С в течение 70—120 ч. В процессе обжига происхо­дит перекристаллизация глинозема и образуется муллит 3Al₂O₃-2SiO₂, зерна которого укрупняются и формируют кристаллический сросток.

Применение и свойства шамотных огнеупоров. В насто­ящее время в производстве огнеупоров шамотные огнеупорные изделия занимают по объему первое место (70—75 %) и их широко применяют почти во всех отраслях промышленности, в том числе и в металлургии. Они используются для футеровки шахты и горна доменных печей, воздухона­гревателей, нижнего строения мартеновских печей, большей части нагревательных печей, вагранок, ковшей, дымовых боровов, дымовых труб и т. д. Доступность и низкая стоимость (шамот — самый дешевый огнеупорный материал, кроме талька) также обусловливают их широкое распространение.

Шамотные огнеупоры имеют предельную температуру службы до 1500°С, небольшую усадку при повторном об­жиге и хорошую термостойкость (не менее 10 водяных теплосмен). Шамотные изделия плохо сопротивляются воздей­ствию железистых шлаков и окалины. Шамотные изделия общего назначения, содержащие не менее 28 % А1₂О₃, раз­деляются на три класса,

Условия службы шамотных огнеупоров сильно различа­ются в зависимости от типа печи, в которой они использу­ются для выполнения футеровки. Так же различны и фак­торы, обусловливающие их выход из строя.

В футеровке шахт доменных печей износ шамота обус­ловлен в основном механическим истиранием движущейся шихтой, а также разрушающим воздействием выделяюще­гося сажистого углерода.

В воздухонагревателях доменных печей быстрее всего изнашиваются купол, верхние ряды насадок и футеровка верхней части стен.

В сталеразливочных ковшах резкие термические удары и разъедающее действие слоя шлака, опускающегося по всей высоте ковша по мере выпуска из него металла, приводят к тому, что стойкость шамотной футеровки составля­ет 8-—20 заполнений ковша.

В нагревательных печах различных типов шамот пока­зывает достаточно хорошую стойкость и служит от 15 (в термических печах) до 1—2 лет в колодцах.

Несмотря на очень широкое распространение шамота в металлургии, его применение постепенно сокращается, так как его вытесняют новые огнеупорные материалы с более высокими рабочими свойствами, применение которых обус­ловлено непрерывной интенсификацией тепловой работы печей.

Полукислые огнеупоры

Из изготовляют из огнеупорных глин, смешанных с пес­ком, или из полукислых глин, содержащих 15—30 % А1₂Оз, по той же технологии, что и шамотные изделия. Полукис­лые огнеупорные материалы характеризуются хорошим по­стоянством объема, так как усадка одного компонента (глинозема) компенсируется увеличением объема второго компонента (кремнезема). Обычно полукислые огнеупоры дают в процессе эксплуатации усадку 1—1,5 %. Они не­сколько менее огнеупорны, чем шамотные материалы.

Высокоглиноземистые изделия

Их изготовляют из природных минералов: андалузита, силиманита и кианита, имеющих одинаковый химический состав (Al₂O3-SiO₂), но различное кристаллическое строе­ние, а также из диаспора А1₂Оз-Н₂О, боксита А1₂О₃-пН₂О, гидрагиллита А1₂О₃-ЗН₂О и корунда А1₂О₃. Применяется также и искусственное сырье в виде технического глинозе­ма, содержащего не менее 90 % А1₂О₃.

Все эти исходные материалы должны содержать мини­мальное количество примесей (не более 3 %).

Высокоглиноземистые изделия изготовляют или прессо­ванием с последующим обжигом, или литьем из расплавов (литые). Высокоглиноземистое сырье обжигают при темпе­ратуре 1600—1650 °С и подвергают очень тонкому помолу (<10мкм).

В качестве связующих при формовании высокоглинозе­мистых изделий используют чистые огнеупорные глины и каолины или фосфатные связки.

Литые муллитовые изделия получают в результате пере­плавки в электропечах минералов силиманитовой группы. В электропечи загружают шихту, состоящую из кокса, стального лома и силиманита. При расплавлении происходит частичное восстановление кремния из силиманита и при этом протекает реакция образования ферросилиция FeSi и шлака, состоящего из муллита 3Al₂O₃-2SiO₂. Более тяже­лый ферросилиций опускается на дно печи, а расплавлен­ный муллит разливается в специальные формы (соответст­вующие размерам изделий), в которых расплав подверга­ется медленному охлаждению от 4 до 10 сут. Благодаря медленному охлаждению изделий снимаются внутренние термические напряжения. После охлаждения их шлифуют, доводя до нужных размеров.

Высокоглиноземистые изделия также можно получить посредством термитного процесса благодаря разности теплоты образования оксидов алюминия и железа. Если 25 % алюминиевого порошка и 75 % оксида железа (по массе) перемешать между собой и поджечь (вольтовой дугой или запальной смесью), то произойдет реакция Fe₂O₃+2Al = =2Fe+Al₂O₃.

При протекании этой реакции выделяется значительное количество тепла (835 Дж/моль), благодаря чему металл и шлаковый расплав получаются в жидком состоянии. Рас­плав разливают в формы и медленно охлаждают для того, чтобы избежать возникновения термических напряжений в изделиях и их растрескивания. Таким способом получаются литые муллитовые и корундовые изделия.

Литые изделия позволяют получать очень плотный и прочный, материал, хорошо сопротивляющийся воздействию любых шлаков.

Применение и свойства высокоглиноземистых огнеупо­ров. Эти материалы находят все более широкое применение для футеровки узлов сталеплавильных печей, работающих в тяжелых условиях (насадки регенераторов и своды элек­тродуговых печей), сводов и подин высокотемпературных нагревательных печей, насадок воздухонагревателей до­менных печей и т. д. Из них изготавливают ковшевой и сталеразливочный припас для разливки специальных сталей, защитные трубки и чехлы для термопар, тигли и элементы лабораторного оборудования для высокотемпературных ис­следований. Высокоглиноземистые огнеупоры сравнительно хорошо противостоят воздействию кислых и основных шла­ков.

Высокоглиноземистые материалы обладают достаточно высокой термической стойкостью (3—5 водяных теплосмен) и повышенной теплопроводностью (особенно литые).

Срок службы монолитного пода высокопроизводитель­ных методических печей, выполненного из литых корундо-муллитовых блоков, достигает трех лет, а применение ли­тых блоков для футеровки пода и нижней части стен рабо­чих камер нагревательных колодцев позволяет увеличить срок службы до 5 лет.

Разрушение высокоглиноземистых огнеупоров происхо­дит при резком охлаждении от температур выше 1200 °С. В этом диапазоне их термостойкость значительно снижается.

Применение высокоглиноземистых огнеупоров все боль­ше расширяется и они вытесняют шамотные огнеупоры там, где предъявляются высокие требования к условиям их службы. Рост их применения сдерживается сравнительно высокой стоимостью.