Типы и особенности огнеупорных теплоизоляционных материалов
Химико-минералогическая типология огнеупорных теплоизоляционных материалов, особенности.
Традиционно огнеупоры подразделяют по оксиду, являющемуся основой для огнеупорного материала (Al2O3, Si02, MgO).
Состав, особенности огнеупорной основы, тип изготавливаемого огнеупорного теплоизоляционного материала, технология изготовления предопределяет его назначение, а также важнейшие характеристики и ограничения в применении.
На сегодняшний день продавцы огнеупоров зачастую утаивают от потребителя ключевые особенности материала (хрупкость и/или неустойчивость к среде, усадку), а зачастую и существенно преувеличивают базовые характеристики (температуростойкость, механическую прочность и т.п.).
Огнеупорные теплоизоляционные материалы по их основе относят к основным типам:
Алюмосиликатные на основе Al2O3 и Si02 (шамотные и высокоглиноземистые) – наиболее распространенные и часто применяемые огнеупоры, представлены широкой линейкой различных производителей, производятся в формах от стекловолокна до кирпича, плит, фасонных изделий и т.п., применяются для футеровки промышленных печей повсеместно. Аллюмосиликатные огнеупоры подразделяют по процентному содержанию оксидной основы на:
- муллитовые (температура применения до 1850 °С, а для корундовых до 2000 °С), особенность муллитов – это «тяжеловесы», высокоплотные и тяжелые изделия; практически невозможны к изменению формы при монтаже (не подлежат распилу или иной корректировке в размер);
- высокоглиноземистые с содержанием Al2O3 более 45% применяются при 1300-1550 С; проблема высокоглиноземистых огнеупоров в том, что их разрушение происходит при резком охлаждении от температур выше 1200 °С, в этом диапазоне их термостойкость значительно снижается.
- шамотные (в зависимости от пористости, плотности и иных характеристик температура применения 1200-1600 °С), основным недостатком шамотных огнеупоров является – слабая устойчивость к кислотной среде, иные недостатки зависят от конкретной характеристики (наличие или отсутствие обжига, пористости, формы и т.п.)
Кремнеземистые на основе Si02 (динасовые), обычно изготавливаются высокоплотные (2340 - 2400 кг/м3) динасовые изделия, обладающие температурой применения 1640-1650 °С (бетонные изделия на динасовой составляющей имеют плотность около 1800 кг/м3, но и температура применения у них не более 1500 °С); особенность – динасовые огнеупоры разрушаются при частых охлаждениях ниже 700 °С (категорически не рекомендованы для нагревательных печей). Динасовые изделия, в качестве основного огнеупора, применяют в дуговых печах, в коксовых батареях (предпочтителен «черный» динас).
Магнийсодержащие на основе MgO (часто называют периклазовыми, что не совсем корректно для всей группы таких огнеупоров) достаточно дорогие огнеупоры, только высокоплотные, но абсолютный выбор для печей типа мартеновских. При использовании магнийсодержащих огнеупоров следует учесть, что термические напряжения в кладке, которые возникают при изменении температуры в диапазоне 1300—1500 °С, когда появляется и вновь затвердевает жидкая фаза на поверхности рабочего слоя, влечет неравномерное изменение толщин огнеупора и как следствие – нарушение теплопроводности и разрушение. Основными разновидностями являются:
- периклазовые (не менее 85 % MgO) с температурой применения до 1750 °С;
- доломитовые (из руды по составу CaCО3 и MgCО3 с температурой применения до 1650 °С (важная особенность – влагопоглощение)
- шпинельные (руда MgCО3 и Al2O3), с заявленной температурой до 1800 °С, но за счет примесей такая температура не является рабочей
- форстеритовые (из ортосиликата магния) высокоплотные изделия, достаточно термостойки (до 1600 °С), однако, слабоустойчивы к большинству оксидов алюминия и сходных;
- хромитпериклазовые (из руды в составе которой имеется хромистый железняк, в процессе обжига образуется форстерит) имеют температуростойкость до 1650 °С, особенность – шлакоразъедение уже после 2-3 циклов.
Из особого типа оксидов также следует отметить огнеупоры:
Цирконистые на основе ZrО2 (циркониевые и цирконистые), чрезвычайно дорогостоящие материалы, с рабочей температурой 1700-1800 °С, применяются для изготовления тиглей плавки драгметаллов, для футеровки соляных ванн. Особенности: материал хрупкий, восприимчив к большинству шлаков, вообще не сопротивляется воздействию оксидов железа и марганца.
Карбидкремнкевые на основе SiC (карборундовые и карбидкремнийсодержащие) с заявляемой температурой применения до 2200 °С, сами по себе также обладают значительной хрупкостью, имеют усадку начиная с температуры в 1200 °С, протекающую нелинейно; в промышленных целях используют карбошамотные и карборундовые (рекристализированные) изделия высокой плотности, которые за счет технологии производства приобретают механическую прочность и твердость, но и такие огнеупоры всегда окисляются уже на температуре 1300 °С.
На сегодняшнем рынке огнеупоров активно продвигаются так называемые «силикатно-кальциевые (силикат-кальциевые) огнеупорные теплоизоляционные плиты», действительно есть такой материал: плиты и листы получают путем приготовления водной суспензии из кремнезема и извести, во время обработки смеси в автоклаве происходит реакция между оксидом кремния и карбонатом кальция с образованием силиката кальция и углекислого газа, формирующего относительно пористую структуру материала. Для повышения прочности нередко добавляют цемент (заявленная плотность материала повышается - по заверениям дистрибьютора Китайского завода = 975 кг/м³, но как это влияет на теплопроводность - это вопрос), а также стекловолокна, базальтовые, керамические, полипропиленовые, целлюлозные и другие волокна (что влияет и на однородность готового изделия и может существенно снижать температуру применения). Силикатно-кальциевые плиты заявлены с характеристикой низкой теплопроводности (0,053–0,07 Вт/м), опять же со слов перепродавцов, но в проектные решения такие плиты не включаются, по практике силикат-кальциевые плиты обладают термостойкостью всего лишь до 1000 °С, температура начала деформации – 800 °С. Силикат-кальциевые плиты в России не производятся, стандартов на них - нет (не только рекомендованного ГОСТа, но даже и ТУ, СТО), на рынке РФ силикат-кальциевые плиты доступны от Китайских производителей, которые в свою очередь не предоставляют никаких заверенных характеристик таких плит (рекомендуем запросить при выборе силикат-кальциевой плиты хотя бы протокол испытаний на негорючесть). Дополнительно отметим, что материалы из силиката кальция (равно как алюминаткальциевые) не регламентированы по остаточному изменению размеров – усадке по ГОСТ 28874-2004, также не рекомендованы к футеровке промышленных печей по ГОСТ 34518-2019.
Применимый ГОСТ в России (и ЕАЭС), а именно ГОСТ 28874-2004, признает лишь следующие типы огнеупоров по химико-минеральному составу):
|
тип огнеупора |
группа огнеупоров |
содержание основного оксида |
|
Глиноземистые |
корундовые |
Al2O3 не менее 85% |
|
Алюмосиликатные |
шамотные муллитокремнеземистые муллитовые муллитокорундовые из глиноземокремнеземистого стекла |
Al2O3 28 – 45% Al2O3 45 – 62% Al2O3 65 – 72% Al2O3 72 – 95% Al2O3 72 – 95% |
|
Кремнеземистые |
динасовые, кварцевые |
Si02 не менее 80% |
|
Магнезиальные |
периклазовые периклазофорстеритовые периклазошпинелидные форстеритовые периклазоизвестковые |
MgO не менее 85% MgO 65 - 85% MgO 50 - 85% MgO 40 - 65% MgO 40 - 90% |
|
Цирконистые |
оксидциркониевые бадделеитокорундовые цирконовые |
ZrО2 не менее 85% ZrО2 20-85% ZrО2 50% Si02 более 25% |
|
Карбидкремниевые |
карбидкремниевые карбидкремнийсодержащие |
SiC не менее 70% SiC 15-70% |
|
Хромистые |
Хромоксидные Хромоксидкорундовые |
Cr2O3 не менее 90% Cr2O3 50-90% Al2O3 10-50% |
|
Известковые |
известковые |
СаО не менее 85% |
|
Глиноземоизвестковые |
алюминаткальциевые |
Al2O3 не менее 65% СаО 7-35% |
|
Углеродистые |
Графитированные Угольные |
С не менее 95% С не менее 60% |
|
Оксидоуглеродистые |
специальные из специфических оксидов (BeO, Sc2O3, SnO2, HfO2 и др) |
максимальное содержание специального оксида (его твердых соединений и т.п.) |
|
Бескислородные |
из бескислородных соединений, кроме углеродистых |
максимальное содержание бескислородного элемента (борида, нитрита и т.п) |
