Вернуться к списку

Каковы области применения высокотемпературных огнеупорных материалов?

2019-12-27

Теперешнее определение огнеупорных материалов больше не зависит исключительно от того, превышает ли огнеупорность 1580℃. В настоящее время под огнеупорными материалами обычно понимают неорганические неметаллические материалы, используемые для облицовки производственного оборудования в металлургии, нефтехимии, цементной промышленности, керамике и других отраслях.

Кислые огнеупорные материалы в основном состоят из диоксида кремния (SiO₂), и к наиболее часто используемым относятся кремнезёмные и глиняные кирпичи. Кремнезёмные кирпичи представляют собой кремнистые изделия, содержащие более 93% SiO₂. В качестве исходных материалов используются кремнистый камень и отходы кремнезёмных кирпичей. Эти кирпичи обладают высокой стойкостью к эрозии кислых шлаков, однако подвержены воздействию щелочных шлаков. Температура их размягчения под нагрузкой очень высока — почти равна температуре их огнеупорности. После многократного прокаливания объём кирпичей не уменьшается, а даже немного увеличивается, однако устойчивость к термическому удару у них низкая. Кремнезёмные кирпичи применяются преимущественно в таких тепловых установках, как коксовые печи, печи для плавки стекла и кислые сталеплавильные печи. Кремнезёмные кирпичи можно разделить на несколько марок в зависимости от содержания SiO₂ и физико-химических показателей; основное деление производится на две категории: кремнезёмные кирпичи для стеклопечей и кремнезёмные кирпичи для коксовых печей. Глиняно-кремнезёмные кирпичи изготавливаются с использованием огнеупорной глины или обожжённого шамота в качестве основного сырья и содержат 30–46% глинозёма, при этом их огнеупорность составляет 1580–1770°C. Это слабокислые огнеупорные материалы, обладающие хорошей устойчивостью к термическим ударам и коррозии кислыми шлаками, и широко применяются на практике. Кирпичи, изготовленные преимущественно из огнеупорной глины, называются обычными глиняными кирпичами, тогда как те, что производятся главным образом из обожжённого шамота с видимой пористостью менее 17%, именуются низкопористыми глиняными кирпичами. Каждый из этих двух типов глиняных кирпичей дополнительно подразделяется на несколько марок в соответствии с их физико-химическими характеристиками, причём разница в цене между обычными глиняными кирпичами и низкопористыми глиняными кирпичами довольно значительна.

Нейтральные огнеупорные материалы в основном состоят из глинозема, оксида хрома, карбида кремния или углерода. Основные продукты среди нейтральных огнеупорных материалов включают: корундовые кирпичи, высокоглинозёмистые кирпичи, силлиманитовые кирпичи, муллитовые кирпичи, глинозёмно-хромовые кирпичи, глинозёмно-угольные кирпичи, графитовые или угольные кирпичи и т. д. Основными кристаллическими фазами высокоглинозёмистых разновидностей являются муллит и корунд. Содержание корунда увеличивается с повышением содержания глинозёма. Продукты из корунда, содержащие более 95% глинозёма, представляют собой широко используемый высококачественный огнеупорный материал. Хромовые кирпичи, основным компонентом которых является оксид хрома, обладают хорошей стойкостью к эрозии сталелитейного шлака, однако характеризуются плохой термической ударопрочностью и низкой температурой размягчения под нагрузкой. Высокоглинозёмистые кирпичи обладают превосходными общими показателями и оптимальным соотношением цены и качества, поэтому они широко применяются. Однако высокоглинозёмистые кирпичи производятся из боксита и карбида кремния в качестве основного сырья и в основном используются в переходной зоне цементных вращающихся печей.

Углеродистые огнеупорные материалы включают кремнезёмные кирпичи, графитовые изделия и карбидкремниевые изделия. Углеродистые изделия представляют собой ещё один тип нейтральных огнеупорных материалов, которые делятся на угольные кирпичи, графитовые изделия и карбидкремниевые изделия в зависимости от состава содержащих углерод исходных материалов и минерального состава конечных продуктов. Угольные кирпичи изготавливаются из высокосортного нефтяного кокса в качестве сырья с использованием каменноугольной смолы и пека в качестве связующих веществ; обжиг производится при температуре 1300℃ в среде, изолированной от воздуха. Графитовые изделия (за исключением природного графита) изготавливаются из углеродистых материалов, графитизированных в электрической печи при температуре 2500–2800℃. Карбидкремниевые изделия производятся из карбида кремния в качестве сырья с добавлением глины, оксида кремния и других связующих веществ, обжигаемых при температуре 1350–1400℃. Также возможно изготовление изделий из нитрида кремния и карбида кремния путём добавления к карбиду кремния кремниевой пудры в электрической печи в атмосфере азота. Углеродистые изделия обладают очень низким коэффициентом теплового расширения, высокой теплопроводностью, хорошей термостойкостью и высокой прочностью при высоких температурах.

Они не размягчаются при длительном использовании при высоких температурах, не подвержены эрозии кислотами и щелочами, обладают хорошей устойчивостью к солям, не смачиваются металлами и шлаком, а также отличаются легким весом, что делает их высококачественными материалами для работы при высоких температурах. Недостатком является то, что они легко окисляются при высоких температурах и не должны использоваться в окислительных средах. Углеродные изделия широко применяются в качестве футеровки высокотемпературных печей (дно печи, очаг, нижняя часть корпуса печи и т.д.) и в качестве футеровки печей для плавки цветных металлов. Графитовые изделия также могут изготавливаться в виде тиглей для плавки медных сплавов и легких сплавов. Основным компонентом угольных кирпичей и графитовых изделий является углерод (C), который обладает очень низким коэффициентом теплового расширения, высокой теплопроводностью, хорошей термостойкостью, высокой прочностью при высоких температурах, устойчивостью к эрозии кислотами, щелочами и солями, особенно хорошо противостоит слабым кислотам и щелочам, не смачивается металлами и шлаком и имеет легкий вес. Как правило, они используются в металлургической промышленности при производстве чугуна и стали, а также в качестве футеровки автоклавов в нефтегазовой и химической промышленностях. Карбид кремния — это превосходный огнеупорный материал, обладающий хорошей стойкостью к эрозии, однако он легко окисляется при высоких температурах (выше 1400 градусов) и поэтому не подходит для использования в окислительных средах.

Щелочные огнеупорные материалы в основном состоят из оксида магния и оксида кальция. Основные продукты включают магнезиальные кирпичи, магнезиально-хромовые кирпичи, магнезиально-циркониевые кирпичи, магнезиально-глинозёмные кирпичи, магнезиально-глинозёмные шпинельные кирпичи, магнезиально-кальциевые кирпичи, доломитовые кирпичи, а также недавно разработанные магнезиально-ферритные шпинельные кирпичи и т.д. Огнеупорные кирпичи, содержащие более 80% оксида магния (MgO), называются магнезиальными кирпичами, которые можно разделить на несколько марок в зависимости от показателей. Магнезиальные кирпичи обладают хорошей стойкостью к щелочным и железистым шлакам, а их огнеупорность выше, чем у глиняных и кремнезёмных кирпичей. Они применяются преимущественно в доменных печах открытого типа, кислородных конвертерах и электрических печах.

Они также используются в оборудовании для выплавки цветных металлов, стекольной промышленности и некоторых высокотемпературных установках. Магнезиально-хромовые кирпичи обладают более прочной устойчивостью к щелочным шлакам, а их термостойкость при резком перепаде температур также намного выше, чем у магнезиальных кирпичей, поэтому они находят более широкое применение. Магнезиально-хромовые кирпичи практически полностью заменили магнезиальные кирпичи в отраслях выплавки чугуна и стали, а также в производстве цветных металлов. Поскольку содержащийся в них оксид хрома (Cr₂O₃) способен непрерывно диффундировать, обеспечивая легкое прилипание магнезиально-хромовых кирпичей к облицовке печей, последние уже почти 30 лет остаются основным выбором огнеупорных материалов, используемых в зоне обжига цементных печей. Однако Cr₂O₃ в магнезиально-хромовых кирпичах может вступать в реакцию с водой, превращая трёхвалентный хром в канцерогенный шестивалентный хром, который загрязняет воду; из-за этого данные кирпичи постепенно выводятся с рынка цементной промышленности. Магнезиально-глинозёмные кирпичи производятся из магнезита и глинозёма в качестве исходных материалов. По сравнению с магнезиальными кирпичами они обладают лучшей термической ударопрочностью и устойчивостью к ползучести при высоких температурах, а используемые детали практически идентичны тем, что применяются в магнезиальных кирпичах.

Доломитовые и магнезиево-кальциевые кирпичи обладают практически одинаковыми эксплуатационными характеристиками. Доломитовые кирпичи изготавливаются из доломита в качестве сырья, а магнезиево-кальциевые — из синтетического магнезиево-кальциевого песка. Содержание оксида кальция обычно составляет 15–30%, остальные компоненты в основном представляют собой оксид магния, который способствует очистке расплавленной стали. Эти кирпичи обычно используются только для выплавки специальной стали. Производственный процесс магнезиево-кальциевых кирпичей более сложен; при контакте с водой и паром они легко гидратируются и разлагаются, что затрудняет их хранение и транспортировку. При использовании необходимо соблюдать меры предосторожности. Магнезиево-ферритовые шпинельные кирпичи — это новая продукция, главным образом применяемая в зоне обжига и переходной зоне цементных вращающихся печей, и она станет основным продуктом, заменяющим магнезиево-хромовые кирпичи в цементной промышленности.

Тугоплавкие материалы, используемые в особых случаях, также включают высокотемпературные оксидные материалы, такие как оксид алюминия, оксид лантана, оксид бериллия, оксид кальция, оксид циркония и др.; тугоплавкие соединительные материалы, такие как карбиды, нитриды, бориды, силициды и сульфиды и др., представляют собой специальные тугоплавкие материалы с температурами плавления выше 2050–3050℃; к тугоплавким соединительным материалам относятся, например, карбиды (карбид кремния, карбид титана, карбид тантала и др.), нитриды (нитрид бора, нитрид кремния и др.), бориды (борид циркония, борид титана, борид гафния), силициды (дисилицид алюминия) и сульфиды (сульфид тория, сульфид церия и др.). Их температуры плавления колеблются от 2000 до 3887℃, среди которых наиболее тугоплавкие — карбиды, высокотемпературные композитные материалы, такие как цементо-металлокерамика, высокотемпературные неорганические покрытия и армированные волокном керамики и др.

К часто используемым специальным материалам относятся нетоксичные огнеупорные материалы, такие как AZS (то есть плавлено-литая корунно-циркониево-кремнезёмная керамика), корундовые кирпичи, прямосвязанные магнезиально-хромовые кирпичи, кирпичи из карбида кремния, кирпичи из карбида кремния с связкой на основе нитрида кремния, нитриды, силициды, сульфиды, бориды, карбиды и т. д.; огнеупорные материалы, такие как оксид кальция, оксид хрома, оксид алюминия, оксид магния, оксид бериллия и т. д. К распространённым теплоизоляционным огнеупорным материалам относятся продукты диатомита, асбестовые изделия, изоляционные плиты и т. д. К наиболее широко применяемым неформованным огнеупорным материалам относятся огнеупорные литые смеси, огнеупорная глина, огнеупорные набивные массы, огнеупорные пластические массы, ремонтные смеси, огнеупорные штукатурные смеси, огнеупорный торкрет-бетон, огнеупорные покрытия, лёгкие огнеупорные литые смеси, кладочная глина и т. д.