огнеупорный

Материалы устойчивы к разложению при высоких температурах.

Огнеупорный кирпич в торпедном вагоне для перевозки расплавленного чугуна

В материаловедении огнеупором (или огнеупорным материалом ) называют материал , устойчивый к разложению под воздействием тепла или химического воздействия , сохраняющий свою прочность и жесткость при высоких температурах . ^[1] Это неорганические неметаллические соединения, которые могут быть пористыми или непористыми, и их кристалличность широко варьируется: они могут быть кристаллическими , поликристаллическими , аморфными или составными . Обычно они состоят из оксидов , карбидов или нитридов следующих элементов: кремния , алюминия , магния , кальция , бора , хрома и циркония . ^[2] Многие огнеупоры являются керамикой , но некоторые, например графит, таковыми не являются, а некоторые керамические изделия, такие как глиняная посуда, не считаются огнеупорными. Огнеупоры отличаются от тугоплавких металлов , которые представляют собой элементарные металлы и их сплавы , имеющие высокие температуры плавления.

Огнеупоры определяются ASTM C71 как «неметаллические материалы, имеющие те химические и физические свойства, которые делают их применимыми для конструкций или в качестве компонентов систем, которые подвергаются воздействию окружающей среды с температурой выше 1000 ° F (811 K; 538 ° C)». ^[3] Огнеупорные материалы используются в печах , печах , мусоросжигательных заводах и реакторах . Из огнеупоров также изготавливают тигли и формы для литья стекла и металлов. В черной металлургии и литейном производстве используется около 70% всех производимых огнеупоров. ^[4]

Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы должны быть химически и физически устойчивы при высоких температурах. В зависимости от рабочей среды они должны быть устойчивыми к тепловому удару , быть химически инертными и/или иметь определенные диапазоны теплопроводности и коэффициента теплового расширения .

Оксиды алюминия ( оксид алюминия ), кремния ( кремнезем ) и магния ( магнезия ) являются важнейшими материалами, используемыми в производстве огнеупоров. Другой оксид, обычно встречающийся в огнеупорах, — это оксид кальция ( известь ). ^[5] Шамотные глины также широко используются в производстве огнеупоров.

Огнеупоры необходимо выбирать в зависимости от условий, с которыми они сталкиваются. В некоторых случаях требуются специальные огнеупорные материалы. ^[6] Цирконий используется, когда материал должен выдерживать чрезвычайно высокие температуры. ^[7] Карбид кремния и углерод ( графит ) — два других огнеупорных материала, используемых в некоторых очень суровых температурных условиях, но их нельзя использовать в контакте с кислородом , так как они окисляются и горят.

Бинарные соединения, такие как карбид вольфрама или нитрид бора, могут быть очень тугоплавкими. Карбид гафния — наиболее тугоплавкое из известных бинарных соединений с температурой плавления 3890 °C. ^{[8] [9]} Тройное соединение карбид тантала и гафния имеет одну из самых высоких температур плавления среди всех известных соединений (4215 ° C). ^{[10] [11]}

Дисилицид молибдена имеет высокую температуру плавления 2030°C и часто используется в качестве нагревательного элемента .

Использование

Огнеупорные материалы используются для выполнения следующих функций: ^{[12] [2]}

1. Служит тепловым барьером между горячей средой и стенкой сосуда.
2. Выдерживает физические нагрузки и предотвращает эрозию стенок сосудов под воздействием горячей среды.
3. Защита от коррозии
4. Обеспечение теплоизоляции

Огнеупоры имеют множество полезных применений. В металлургической промышленности огнеупоры используются для футеровки печей, обжиговых печей, реакторов и других емкостей, в которых хранятся и транспортируются горячие среды, такие как металл и шлак . Огнеупоры имеют и другие высокотемпературные применения, такие как пламенные нагреватели, установки водородного риформинга, установки первичного и вторичного риформинга аммиака, печи крекинга, коммунальные котлы, установки каталитического крекинга, воздухонагреватели и печи для серы. ^[12] Применяются для наплавки пламегасителей в стартовых конструкциях ракет. ^[13]

Классификация огнеупорных материалов

Огнеупоры классифицируются по нескольким признакам в зависимости от:

1. Химический состав
2. Способ изготовления
3. Температура плавления
4. огнеупорность
5. Теплопроводность

По химическому составу

Кислотные огнеупоры

Кислотные огнеупоры обычно невосприимчивы к кислым материалам, но легко разрушаются основными материалами, поэтому их используют с кислым шлаком в кислой среде. В их состав входят такие вещества, как кремнезем , глинозем и огнеупорный кирпич из шамота. Известными реагентами, которые могут разрушать как оксид алюминия, так и кремнезем, являются плавиковая кислота, фосфорная кислота и фторированные газы (например, HF, F ₂ ). ^[14] При высоких температурах кислотные огнеупоры могут также реагировать с известью и основными оксидами.

• К кремнеземистым огнеупорам относятся огнеупоры, содержащие более 93% оксида кремния (SiO ₂ ). Они кислые, обладают высокой стойкостью к термическому удару, стойкостью к флюсу и шлаку, высокой стойкостью к отколу. Силикатный кирпич часто используется в черной металлургии в качестве материала для печей. Важным свойством силикатного кирпича является его способность сохранять твердость при высоких нагрузках вплоть до точки плавления. ^[2] Кремнеземные огнеупоры обычно дешевле, поэтому их легко утилизировать. Разработаны новые технологии, обеспечивающие более высокую прочность и большую продолжительность отливки при меньшем количестве оксида кремния (90%) при смешивании с органическими смолами.
• Циркониевые огнеупоры представляют собой огнеупоры, состоящие в основном из оксида циркония (ZrO ₂ ). Их часто используют для стекловаренных печей, поскольку они имеют низкую теплопроводность, плохо смачиваются расплавленным стеклом и имеют низкую реакционную способность с расплавленным стеклом. Эти огнеупоры также полезны для применения в высокотемпературных строительных материалах.
• Алюмосиликатные огнеупоры в основном состоят из оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ) и кремнезема (SiO ₂ ). Алюмосиликатные огнеупоры могут быть полукислотными, шамотными или композитными с высоким содержанием глинозема. ^{[ необходимо разъяснение ] [15]}

Основные огнеупоры

Основные огнеупоры используются в областях, где шлаки и атмосфера являются основными. Они устойчивы к щелочным материалам, но могут реагировать с кислотами, что важно, например, при удалении фосфора из чугуна (см. процесс Гилкриста-Томаса ). Основное сырье принадлежит к группе RO, типичным примером которой является магнезия (MgO). Другие примеры включают доломит и хромомагнезию. В первой половине двадцатого века в процессе производства стали в качестве материала футеровки печи использовался искусственный периклаз (обожженный магнезит ).

• Магнезитовые огнеупоры состоят на ≥ 85% из оксида магния (MgO). Они обладают высокой стойкостью к извести и шлакам, богатым железом, сильной стойкостью к истиранию и коррозии, а также высокой огнеупорностью под нагрузкой и обычно используются в металлургических печах. ^[16]
• Доломитовые огнеупоры в основном состоят из карбоната кальция-магния . Обычно доломитовые огнеупоры используются в конвертерных и рафинировочных печах. ^[17]
• Магнезиохромовые огнеупоры состоят в основном из оксида магния (MgO) и оксида хрома (Cr ₂ O ₃ ). Эти огнеупоры обладают высокой огнеупорностью и высокой устойчивостью к агрессивным средам.

Нейтральные огнеупоры

Они используются в областях, где шлаки и атмосфера либо кислые, либо основные и химически устойчивы как к кислотам, так и к основаниям. Основное сырье относится, помимо прочего, к группе R ₂ O ₃ . Обычными примерами этих материалов являются оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ), хром (Cr ₂ O ₃ ) и углерод. ^[2]

• Углеграфитовые огнеупоры состоят в основном из углерода . Эти огнеупоры часто используются в высоковосстановительных средах, а их высокая огнеупорность обеспечивает им превосходную термическую стабильность и устойчивость к шлакам.
• Хромитовые огнеупоры состоят из спеченного магнезии и хрома. Они имеют постоянный объем при высоких температурах, высокую огнеупорность и высокую стойкость к шлакам. ^[18]
• Глиноземные огнеупоры состоят из ≥ 50% глинозема (Al ₂ O ₃ ).

По способу изготовления

1. Процесс сухого прессования
2. Сплавленный гипс
3. Ручная формовка
4. Формованный (обычный, обожженный или химически связанный)
5. Неформованные (монолитно-пластические, трамбовочные и торкрет-массы, заливочные изделия, растворы, сухие вибрационные цементы.)
6. Неформованные сухие огнеупоры.

Формованный

Они имеют стандартный размер и форму. Их можно разделить на стандартные и специальные формы. Стандартные формы имеют размеры, соответствующие требованиям большинства производителей огнеупоров, и обычно применимы к печам или печам одного и того же типа. Стандартные формы обычно представляют собой кирпичи со стандартным размером 9 дюймов × 4,5 дюйма × 2,5 дюйма (229 мм × 114 мм × 64 мм), и этот размер называется «эквивалентом одного кирпича». «Кирпичный эквивалент» используется для оценки количества огнеупорного кирпича, необходимого для установки в промышленную печь. Существует ряд стандартных форм разных размеров, изготовленных для изготовления стен, крыш, арок, труб, круглых отверстий и т. д. Специальные формы изготавливаются специально для определенных мест внутри печей и для конкретных печей или печей. Специальные формы обычно менее плотные и, следовательно, менее износостойкие, чем стандартные формы.

Неформованные (монолитные огнеупоры)

Они не имеют определенной формы и приобретают форму только при нанесении. Эти типы более известны как монолитные огнеупоры. Типичными примерами являются пластичные массы, утрамбовочные массы, заливочные массы, торкрет-массы, затирочная смесь, строительные растворы и т. д.

Футеровки для сухой вибрации, часто используемые в футеровке индукционных печей , также являются монолитными, продаются и транспортируются в виде сухого порошка, обычно с составом магнезии/оксида алюминия с добавками других химикатов для изменения определенных свойств. Они также находят все больше применений в футеровке доменных печей, хотя такое применение все еще встречается редко.

В зависимости от температуры плавления

Огнеупорные материалы подразделяются на три типа в зависимости от температуры плавления (точки плавления).

• Обычные огнеупоры имеют температуру плавления 1580–1780 °C (например, шамот).
• Высокие огнеупоры имеют температуру плавления 1780–2000 °C (например, хромит).
• Суперогнеупорные материалы имеют температуру плавления > 2000 °C (например, диоксид циркония).

По огнеупорности

Огнеупорность - это свойство многофазного огнеупора достигать определенной степени размягчения при высокой температуре без нагрузки, и ее измеряют с помощью теста эквивалента пирометрического конуса (PCE). Огнеупоры классифицируются на: ^[2]

• Сверхдолг: значение PCE 33–38.
• Высокий режим: значение PCE 30–33.
• Промежуточный режим : значение PCE 28–30.
• Низкий режим работы : значение PCE 19–28.

По теплопроводности

По теплопроводности огнеупоры можно разделить на проводящие, непроводящие и изолирующие. Примерами проводящих огнеупоров являются карбид кремния (SiC) и карбид циркония (ZrC), тогда как примерами непроводящих огнеупоров являются кремнезем и оксид алюминия. Изоляционные огнеупоры включают силикат кальция , каолин и диоксид циркония.

Изоляционные огнеупоры используются для снижения скорости потерь тепла через стенки печи. Эти огнеупоры имеют низкую теплопроводность из-за высокой степени пористости, с желаемой пористой структурой из мелких, однородных пор, равномерно распределенных по всему огнеупорному кирпичу, чтобы минимизировать теплопроводность. Изоляционные огнеупоры можно разделить на четыре типа: ^[2]

1. Термостойкие изоляционные материалы с температурой применения ≤ 1100 °C.
2. Огнеупорные изоляционные материалы с температурой применения ≤ 1400 °C.
3. Высокоогнеупорные изоляционные материалы с температурой применения ≤ 1700 °C.
4. Сверхвысокоогнеупорные изоляционные материалы с температурой применения ≤ 2000 °C.

Смотрите также

• Огнеупорный кирпич
• Кладочная печь

Рекомендации

1. Эйлса Аллаби и Майкл Аллаби (1996). Краткий словарь наук о Земле . Оксфордские книги в мягкой обложке Издательство Оксфордского университета.
2. «Огнеупоры и классификация огнеупоров». ИспатГуру . Проверено 6 марта 2020 г.
3. ASTM Том 15.01 Огнеупоры; Активированный уголь, усовершенствованная керамика
4. «Насколько круты огнеупорные материалы?» (PDF) . Журнал Южноафриканского института горного дела и металлургии . 106 (сентябрь): 1–16. 2008 год . Проверено 22 апреля 2016 г.
5. Грувер, Микелл П. (7 января 2010 г.). Основы современного производства: материалы, процессы и системы. Джон Уайли и сыновья . ISBN 9780470467008.
6. Зоннтаг, Кисс, Банхиди, Вебер (2009). «Новые решения для обжига технической керамики». Международный Керамический Форум . 86 (4): 29–34.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
7. Роза, Грег (2009). Цирконий. Издательская группа Розен. ISBN 9781435850705.
8. Хью О. Пирсон (1992). Справочник по химическому осаждению из паровой фазы (CVD): принципы, технология и применение. Уильям Эндрю. стр. 206–. ISBN 978-0-8155-1300-1. Проверено 22 апреля 2011 г.
9. Гафний. Архивировано 11 августа 2017 г. в Wayback Machine , Национальная лаборатория Лос-Аламоса.
10. Энциклопедия науки и техники McGraw-Hill: международный справочный сборник в пятнадцати томах, включая указатель. МакГроу-Хилл. 1977. с. 360. ИСБН 978-0-07-079590-7. Проверено 22 апреля 2011 г.
11. "Гафний". Британская энциклопедия . Британская энциклопедия, Inc. Проверено 17 декабря 2010 г.
12. Алаа, Хусейн. «Введение в огнеупоры» (PDF) . Технологический университет – Ирак .
13. «Огнеупорные материалы для борьбы с коррозией системы защиты дефлектора пламени: исследование аналогичных отраслей и/или пусковых объектов» . НАСА, январь 2009 г.
14. "Аккурат". Оксид алюминия, керамические свойства Al2O3 . 2013 . Проверено 22 ноября 2014 г.
15. Полубояринов, Д. Н. (1960). Высокоглиноземистые керамические и огнеупорные материалы . Москва.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
16. «Магнезитовые огнеупоры». www.termorefractories.com . Проверено 6 марта 2020 г.
17. «Доломитовый кирпич и магнезиально-доломитовый кирпич» . www.ruizhirefractory.com . Проверено 6 марта 2020 г.
18. «Хромитовые огнеупоры». www.termorefractories.com . Проверено 6 марта 2020 г.

Внешние ссылки