Пригодность тех или иных огнеупоров в каждом отдель­ном случае оценивается в зависимости от их основных физических и рабочих свойств, а также задач и условий применения, достигаемых заявленных целей для покупки и использования онеупорного материала..

Рабочими называют свойства огнеупоров, удовлет­воряющие требованиям, предъявляемым в данном кон­кретном случае. Основными свойствами огнеупоров яв­ляются огнеупорность, термическое сопротивление, линейное сжатие/расширение, термическая стойкость (теплосмены), химичес­кая стойкость, теплопроводность, плотность, потеря массы при прокаливании.

Огнеупорность

Огнеупор определен в ГОСТ Р 52918-2008 как неметаллический материал с огнеупорностью не ниже температуры 1580 °C, используемый для защиты от воздействия тепловой энергии, однако, для целей теплоизоляции огнеупором считается материал с классификационной температурой 1150 °C, о чем прямо указано в ГОСТ Р 52802-2007. 

Огнеупорностью называется способ­ность материалов выдерживать высокие температуры, не деформируясь под действием собственного веса и воздействия максимальной температуры - до расплава. При определенном нагреве любой огнеупорный материал вначале размяг­чается вследствие плавле­ния его легкоплавкой со­ставляющей. При дальней­шем нагреве начинает пла­виться основная масса, и вязкость материала посте­пенно уменьшается. Процесс плавления огнеупоров выражается в постепенном переходе из твердого состояния в жидкое, причем температурный интервал от начала размягчения до рас­плавления иногда достигает нескольких сот градусов.

Поэтому для характеристики огнеупорности пользуются температурой размягчения. Для этой цели при определении огнеупорности мате­риалов используются керамические пироскопы (ПК). Пироскопы представляют собой трехгранные усеченные пирамиды высотой до 6 см с основанием в виде равно­стороннего треугольника со сторонами, равными 1 см. Каждому пироскопу соответствует определенная темпе­ратура размягчения, т. е. температура, при которой пи­роскоп размягчается настолько, что вершина его каса­ется подставки. В маркировке пироскопов ука­зывается его огнеупорность, уменьшенная в десять раз. Для определения огнеупорности материала из него изготавливают пирамидку по размерам пироскопа. Ис­пытуемый образец вместе с несколькими пироскопами разных номеров устанавливают на подставке и поме­щают в электрическую печь. Испытание на огнеупор­ность сводится к наблюдению за размягчением (паде­нием) образцов сравнительно с пироскопами при определенных условиях нагрева. Огнеупорность материала обозначается номером того пироскопа, с которым обра­зец упал одновременно.

Заявляемая производителями огнеупорных материалов характеристика "рабочая температура" представляет собой температуру, при которой теплоизоляционный материал выполняет свои функции длительно и без разрушений, а "классификационная температура" является обозначенной предельной разовой температурой - при которой в течение нескольких часов происходит полный распад огнеупорного изделия. Зачастую производители и продавцы огнеупоров лукавят при указании температуры применения, выдавая классификационную температуру за рабочую. Так например, для волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью 130-450 кг/м3 встречаются в открытых источниках указания температуры применения 1300 С и даже 1500 С, хотя государственный стандарт (ГОСТ 23619-79) однозначно фиксирует: максимальная температура применения теплоизоляционных огнеупорных муллитокремнеземистых стекловолокнистых материалов и изделий = 1150 С и только в неагрессивной среде со скоростью потока газов не более 10 м/с.

Термическое сопротивление

Для определения задач и целей применения огнеупоров (огнеупорной теплоизоляции) следует установить необходимое термическое сопротивление: отношение разности температур поверхностей лицевых граней футеровочной изоляции (плиты, мата, кирпича) к плотности теплового потока, проходящего через огнеупор в условиях стационарного теплового режима, термическое сопротивление или коэффициент теплопередачи вычисляют на основании значений плотности теплового потока, общей площади тепловой зоны и разности температур лицевых граней огнеупора.

Для установления характеристик поверхностной температуры нагрева и теплопроводности (по ГОСТ 31913-2011), как основных характеристик огнеупорной теплоизоляции, необходимо проводить испытания, однако, допустимо произвести и теоретические расчеты.

Для того, чтобы купить огнеупор подходящий под задачи - из заявленных владельцем высокотемпературного агрегата (печи, котла, узлов нагрева и т.п.) характеристик достигаемой температуры нагрева понаруже огнеупора - производится расчет показателей кажущейся плотости (по ГОСТ 2409-2014), а также необходимой толщины теплоизоляционного огнеупорного изделия, учитывается назначение огнеупора (расположение в агрегате), одним из усугубляющих факторов температурного воздействия является степень агрессивности рабочей среды огнеупора (расстояние от факела, перепад температур, химическая среда, воздействие шлаков и расплавов и т.п.).

Необходимо относиться критически к заверениям производителей и особенно продавцов огнеупоров, утверждающих, что низкоплотный огнеупор высокой пористости (маты, волокно, легковесные высокопристые материалы) способен выдерживать высокие температуры при плотности теплового потока и якобы выше 1250 С, такие огнеупоры не стойки к плотному тепловому потоку (тепловой удар, факел) - происходит точечное выгарание, а передача тепла в огнеупорах низкой плотности (пористость, решетчатость структуры) происходит медленно с расплавом решетки и связующего.  

Деформация при высоких температу­рах

Огнеупорные материалы при высоких температурах имеют особенность изменения механической прочности. Для оценки механической прочности огнеупоров обычно определяют за­висимость изменения величины деформа­ции от температуры при постоянной на­грузке.

Испытания прово­дят на цилиндричес­ком образце высотой 50 и диаметром 36 мм при постоянной на­грузке 1,96•105 Па. Результаты испытания представляют в виде графика зависимости изменения высоты об­разца от температу­ры. Для характеристики деформации отмечают темпе­ратуру начала размягчения, когда высота образца уменьшается на 4%, температуру, соответствующую изменению высоты на 40%, и температурный интервал размягчения, представляющий разность этих двух тем­ператур.

Любой огнеупор при превышении или разовом воздействии классификационной температуры изменяется: происходит усадка (выгарание связующего, разрушение решетки, частичное спекание основных компонентов) - то есть наблюдается линейное сжатие (характерно для материалов низкой плотности и высокой пористости); но может происходить и термический рост - термическое расширение большинства огнеупоров невелико, но наблюдается для высокоплотных материалов (кирпич, динасовые изделия, бетонные изделия - плотностью свыше 1700 кг/м3).

Обратите внимание, что сами производители, а особенно продавцы огнеупорной теплоизоляции практически никогда не афишируют показатели линейной усадки огнеупора. Однако, для самой распространенной низкоплотной огнеупорной теплоизоляции - стекловолокнистой, муллитокремнеземистой на основе керамоволокна (картон, маты, плиты керамоволокнистые) линейная усадка зафиксирована ГОСТ 28874-2004 (Таблица В.2), где лишь установлено: линейная усадка теплоизоляционных волокнистых огнеупоров с плотностью менее 500 кг/м3 всего-то на температуре 850 С уже составит 4%; а дальше процесс линейной усадки неконтролируемый, на практике после 1100 С волокнистый огнеупор дает усадку не менее 10%, причем неравномерно с уничтожением геометрической целостности.

Для измерения линейной усадки проводятся испытания на деформацию с учетом особенностей назначения огнеупоров, т.е. корректным является опытно-экспериментальный метод, по аналогии с ГОСТ 12170-85, когда будет произведен полный нагрев по одной стороне огнеупора в течение 24 часов до рабочей температуры но при нахождении другой стороны огнеупора в условиях общей температурной окружающей среды, с дальнейшим замером изменившихся линейных размеров.

Так, шамотные изделия дают усадку в результате образования некоторого ко­личества жидкой фазы и уплотнения черепка. Обычно это уменьшение объема бывает больше, чем его терми­ческое расширение, и приводит к увеличению швов. 

Динасовые изделия увеличивают объем при нагреве вследствие дополнительных процессов перекристаллиза­ции. Рост объема изделия в процессе службы способствует уплотнению швов кладки. 

Результатом деформации огнеупоров и как следствие изменения термических швов в футеровке, в кладке является последующее трещинообразование в самой футеровки и возникновение свищей - "футеровка поплыла".

Термическая стойкость

Термической стойкостью на­зывается способность огнеупоров не разрушаться при резких изменениях температуры. Это особенно важно для огнеупоров, работающих в печах периодического действия. Термическая стойкость огнеупоров тем выше, чем больше коэффициент теплопроводности материала, его пористость и размер зерен и чем меньше темпера­турный коэффициент линейного расширения, плотность, размеры изделия и изменения объема при аллотропи­ческих превращениях.

Для определения термической стойкости использу­ют образец в форме кирпича. Образец нагревают 40 мин при 850° С, затем охлаждают 8— 15 мин. Цикл нагрева и охлаждения называется теплосменой. Охлаждение может быть только на воздухе (воздушные теплосмены) или сначала в воде 3 мин, затем на воздухе 5— 10 мин (водяные теплосмены). Нагрев и охлаждение проводят­ся до тех пор, пока потеря массы образца (из-за отка­лывания кусков) не достигнет 20%. Термическая стой­кость оценивается количеством выдержанных теплосмен. 

Однако, для оценки возможного количества теплосмен значимым являются и факторы вне испытательного расчета самого огнеупора: подбор клеевого огнеупорного состава для монтажа отдельных огнеупорных изделий (наличие фактора пластичности на рабочих температурах агрегата, плотность клея в соответствии с основным огнеупором - плотность клеевого состава всегда должна быть менше склеваемого огнеупора), качество проекта и монтажа (надлежащее количество и местонахождение тепловых швов, сами качественные работы с применением дополнительных огнеупорных материалов соответствующих задаче - легковесные огнеупоры, замазки, штукатурки, анкера, швеллера и т.п.).

Химическая стойкость

Под химической стойкостью огнеупорных материалов понимается способность их противостоять разрушению от химического и физическо­го воздействия образующихся в печи продуктов — ме­талла, шлаков, пыли, золы, паров и газов. Наибольшее действие на огнеупоры в плавильных печах оказывают шлаки. По отношению к действию шлаков огнеупоры могут быть разделены на три группы — кислые, основ­ные и нейтральные.

Кислые огнеупоры устойчивы к кислым шла­кам, содержащим большое количество SiO2 , но разъеда­ются основными шлаками. Кислым огнеупором являет­ся динас. Динас устойчив к действию окислительных и восстановительных газов.

Основные огнеупоры устойчивы к действию основных шлаков, но разъедаются кислыми. К ним от­носятся огнеупоры, содержащие известь, магнезию и щелочные окислы (доломит, магнезит и др.).

Нейтральные (промежуточные) огне­упоры, в состав которых входят аморфные окислы, ре­агируют как с кислыми, так и с основными шлаками, нв значительно меньшей степени, чем кислые и основные. К ним относится хромистый железняк, содержащий в качестве основной составляющей FeO·Cr2O3.

Заявляемый некоторыми производителями и продавцами огнеупоров химический состав с включением циркония (ZrO2), как компонента увеличивающего химическую стойкость огнеупора - является заведомым несоответствием реальности: сам по себе оксид циркония не является активным до температуры = 2700 С - то есть до этой температуры в составе огнеупора компонент находится вне связки (что ухудшает прочность огнеупора изначально), а шлакообразование происходит до такой температуры.

Шлакоустойчивость огнеупоров зависит от скорости химических реакций огнеупора со шлаком и от вязкости шлака. При вязких шлаках и малой скорости реакций огнеупорное изделие может работать хорошо. С повы­шением температуры скорость химических реакций уве­личивается, а вязкость шлаков уменьшается, поэтому даже небольшое повышение температуры (на 25—30° С) приводит к существенному увеличению коррозии огнеупоров. Пористые изделия с открытыми порами ме­нее шлакоустойчивы, чем более плотные. Наружная гладкая поверхность корки кирпича (плиты) лучше сопротивля­ется действию шлаков, чем шероховатая или неравномерная пористая поверхность. Трещины в изделии также понижают его шлакоустойчивость.

Для определения шлакоустойчивости применяют два метода — статический и динамический. При статическом методе в огнеупорном изделии высверливают цилиндри­ческое отверстие, в которое насыпают тонкоизмельченный шлак. Изделие нагревают в печи до его рабочей температуры (но не ниже 1450° С) и выдерживают при этой температуре 3—4 ч. О шлакоустойчивости судят качественно по степени растворения изделия в шлаке и глубине его проникновения в изделие. При динамиче­ском методе на испытуемый огнеупорный кирпич, уста­новленный в печи вертикально, при температуре 1450° С в течение 1 ч сыпят порошкообразный шлак (1 кг). Расплавляясь и стекая по поверхности кирпича, шлак проедает в нем борозды. Шлакоразъедаемость определя­ется по потере объема (в кубических сантиметрах) с учетом дополнительной усадки кирпича.

Теплопроводность

В зависимости от целей, для ко­торых используется огнеупор, теплопроводность его должна быть высокой или низкой. Так, материалы, пред­назначенные для футеровки печей, должны иметь низ­кую теплопроводность для уменьшения тепловых потерь в окружающее пространство и повышения КПД печи. Однако материалы для изготовления тиглей и муфелей должны иметь высокую теплопроводность, уменьшаю­щую перепад температуры в их стенках.

При повышении температуры теплопроводность большинства огнеупоров возрастает. Исключе­ние составляют магнезитовые, и карборундовые изделия, теплопроводность которых при этому уменьшается. Тепло­проводность всех огнеупоров уменьшается с увеличением пористости. Однако при высокой температуре (выше 800—900° С) увеличение пористости мало влияет на теплопроводность. Приобретают влияние конфигурация и размер пор, определяющие конвективную теплопере­дачу внутри пор. Увеличение содержания кристалличе­ской фазы в материале приводит к увеличению тепло­проводности.

Плотность

Для определения плотности огнеупора используется показатель кажущейся плотости (по ГОСТ 2409-2014), кажущаяся плотность огнеупора: отношение массы сухого огнеупора к его общему объему, выраженное в граммах на кубический сантиметр (или кг/м3). Однако, корректные измерения кажущейся плотности производятся с применением вакумирования и точным оснащением, по формуле п.8-9 ГОСТ 2409-2014 с учетом расчитываемой общей пористости огнеупора. Не следует путать формальную плотность (соотношение массы к объему) с исчисляемой кажущейся плотностью. 

При принятии решения купить ли огнеупор с той или иной плотностью следует учитывать заявленную кажущуюся плотность, с учетом фактора пористости и состояния решетки по порам, поскольку важнейшее условие эксплуатации - получение желаемой температуры понаруже с сохранением длительности эксплуатации не явлется производным от формальной плотности: огнеупор мягкий и низкой плотности не всегда пригоден для теплоизоляции на его рабочей температуре в обычных циклах работы (со снижением температуры и скачками температуры).

Потеря массы при прокаливании

Необходимо учитывать, что при эксплуатации любых огнеупорных материалов они имеют свойство потери массы в результате постоянного высокотемпературного воздействия, при этом в физико-химических показателях производители огнеупоров обычно указывают характеристику "потеря массы при прокаливании", такое свойство материала обуславливает снижение также плотности огнеупорного материала. Тем следует учитывать, что огнеупорные материалы не являются применимыми вечно, так как при естественном снижении плотности, также компенсационно снижается прочность футеровочного материала и соответственно рано или поздно произойдет и изменение температуры применения - что увеличит теплоперенос.

Потеря массы при прокаливании определяется методами по ГОСТ 2642.2-86, измеряется в процентах; но следует учитывать, что единственный метод измерения этого показателя ограничен температурой всего в 1000 С. При этом, чем выше показатель % потери массы при прокаливании - тем короче срок эксплуатации огнеупора, так как будет длится до полного разрушения процесс усадки.