кислото - и шлакоустойчивость огнеупоров
Большинство приобретаемых огнеупоров для футеровок печей относятся к огнеупорам, работающим за счет химико-физических характеристик по наличию аллюмосиликатов (оксида аллюминия) и плотности/пористости.
По содержанию оксида алюминия Al2O3 огнеупоры относят к следующим группам:
- Полукислые 10-28%
- Шамотные 28-70%
- Корундовые свыше 90%
Соотношение заряда и размера катиона характеризует меру кислотности оксида. Кислотность возрастает с увеличением заряда и уменьшением радиуса катиона; кроме того, принимается во внимание конфигурация электронных оболочек, а следовательно, поляризуемость иона.
Кислотность оксидов, рассматриваемых в контексте многокомпонентного состава огнеупора, уменьшается в следующей последовательности: S1O2, AI2O3, Сr2Оз, Рв20з, MgO, FeO, СаО. В этом ряду S1O2, является «кислым» окислом, MgO и СаО - «основными», а Сr2Оз для удобства можно назвать «нейтральным».
Кислый и полукислый огнеупор с высоким содержанием S1O2 и/или AI2O3, шамотный огнеупор относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% Al2O3. Обладает высокой термостойкостью, но низкой шлакоустойчивостью. Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 °С, для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки. Не выдерживает истирающего шлакового действия при высоких температурах.
AI2O3 (оксид аллюминия) является амфотерным оксидом, т.е. обладает свойством способности диссоциации по типу кислоты и основания, тем при взаимодействии с кислотами и щелочами образует соль, в т.ч.:
оксид алюминия + 3·оксид серы(VI) = сульфат алюминия
оксид алюминия + 6·соляная кислота = 2·хлорид алюминия + 3·вода
оксид алюминия + 2·гидроксид натрия(конц) + 3·вода = 2·тетрагидроксоалюминат натрия
оксид алюминия + гидроксид кальция(расплав) → (t°) → метаалюминат кальция + вода
оксид алюминия + оксид кальция → (t°, сплав) → метаалюминат кальция
оксид алюминия + карбонат натрия(расплав) → (t°) → 2·метаалюминат натрия + углекислый газ↑
AI2O3 взаимодействует с кислотами, кислотными оксидами, основными оксидами, щелочами, например:
Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O = 2Na[Al(OH)4]
Взаимодействие различных реагентов (шлак, зола, топливо, шихта, технологические продукты, измененная среда – щелочная, кислотная и т.п.) с огнеупором при высоких температурах вызывает его разрушение вследствие образования легкоплавких соединений и растворения части огнеупора. Такое разрушение является следствием целого ряда сложных физико-химических процессов и называется шлакоразъеданием, а стойкость огнеупоров против шлакоразъедания называется шлакоустойчивостью.
Шлакоразъедание наиболее распространённое: более 70% всех случаев разрушения огнеупорных футеровок относится к шлакоразъеданию.
Шлакоразъедание является результатом воздействия двух процессов:
- коррозии – химического воздействия огнеупора и шлака (среды);
- эрозии – процесса механического истирания футеровки текущим шлаком или твёрдыми частицами.
Оба процесса интенсифицируют друг друга. С одной стороны эрозия увеличивает поверхность взаимодействия огнеупора и шлака и смывает с поверхности огнеупора плёнку шлака, которая играет роль защитного слоя. С другой стороны, коррозия сильно разрыхляет огнеупор и облегчает эрозию.
Шлакоразъедание зависит от химико-минералогического состава огнеупора и шлака, структуры огнеупора, вязкости и температуры шлака и от того, находится ли шлак в движении или в покое. Температура является основным фактором, ускоряющим процесс шлакоразъедания. Повышение температуры на 10-20 0С может усилить процесс шлакоразъедания на 20-30 % и более. Другим основным фактором является химико-минералогический состав огнеупора и шлака.
Для близких по химическому составу огнеупоров и шлаков шлакоразъедание невелико.
О шлакоустойчивости огнеупора нельзя говорить вообще, нужно иметь в виду определённый огнеупор и шлак. Чем больше расходятся по своей химической природе огнеупор и шлак, тем интенсивнее их взаимодействие и разрушение огнеупора.
Отсюда возникло правило подбора огнеупоров: для кислого шлака берут кислый огнеупор, а для основного – основной.
Структура огнеупора также сильно влияет на процесс шлакоразъедания.
Пористость усиливает процесс шлакоразъедания. Существенной значение имеет характер пор, в частности наличие сообщающихся пор. Шлакоустойчивость резко повышается с увеличением прочности связи между зёрнами. Плотность и прочность являются важными факторами, влияющими на шлакоустойчивость огнеупора. Важное значение имеет зерновой состав огнеупора и доля в нём стекловидной связки. Разрушение происходит по связке и мелким зёрнам. Крупные зёрна меньше растворяются в шлаке, но они менее стойки в отношении эрозии.
Для огнеупора со средой воздействия высокой степени кислотности необходимо применять: высокоплотные огнеупоры (тяжелые, с закрытой или минимальной пористостью) с наличием стекловидного тела по связке: возникает из исходного сырья корунд, муллит или обожженные огнеупоры с возникновением стекловидного тела при обжиге при технологии плавления сырья в процессе изготовления (например, с включением в состав муллито-кремнеземистого волокна и бетонитов).
