Огнеупорный

Материалы, устойчивые к разложению при высоких температурах

Огнеупорные кирпичи в торпедной машине, использовавшейся для перевозки расплавленного чугуна.

В материаловедении огнеупор (или огнеупорный материал ) — это материал , который устойчив к разложению под воздействием тепла или химического воздействия и сохраняет свою прочность и жесткость при высоких температурах . ^[1] Они представляют собой неорганические , неметаллические соединения, которые могут быть пористыми или непористыми, и их кристалличность сильно различается: они могут быть кристаллическими , поликристаллическими , аморфными или композитными . Они обычно состоят из оксидов , карбидов или нитридов следующих элементов: кремния , алюминия , магния , кальция , бора , хрома и циркония . ^[2] Многие огнеупоры являются керамикой , но некоторые, такие как графит, таковыми не являются, а некоторые виды керамики, такие как глиняная посуда, не считаются огнеупорными. Огнеупоры отличаются от тугоплавких металлов , которые являются элементарными металлами и их сплавами , имеющими 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 сред выше 1000 °F (811 K; 538 °C)». ^[3] Огнеупорные материалы используются в печах , обжиговых печах , мусоросжигательных печах и реакторах . Огнеупоры также используются для изготовления тиглей и форм для литья стекла и металлов. Металлургическая промышленность и секторы литья металлов используют около 70% всех производимых огнеупоров. ^[4]

Огнеупорные материалы

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

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

Огнеупоры должны выбираться в соответствии с условиями, с которыми они сталкиваются. Для некоторых применений требуются специальные огнеупорные материалы. ^[6] Цирконий используется, когда материал должен выдерживать чрезвычайно высокие температуры. ^[7] Карбид кремния и углерод ( графит ) — два других огнеупорных материала, которые используются 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 является самым тугоплавким из известных бинарных соединений, с температурой плавления 3890 °C. ^{[8] [9]} Тройное соединение карбида 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 .

Использует

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

1. Выполняет функцию теплового барьера между горячей средой и стенкой сосуда.
2. Выдерживание физических нагрузок и предотвращение эрозии 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 сосудов, которые удерживают и транспортируют горячие среды, такие как металл и шлак . Огнеупоры имеют и другие высокотемпературные применения, такие как пламенные нагреватели, водородные риформеры, первичные и вторичные риформеры аммиака, крекинг-печи, коммунальные котлы, установки каталитического крекинга, воздухонагреватели и серные печи. ^[12] Они используются для покрытия дефлекторов пламени в конструкциях для запуска ракет. ^[13]

Классификация огнеупорных материалов

Огнеупоры классифицируются несколькими способами, в зависимости от:

1. Химический состав
2. Метод изготовления
3. Размер и форма
4. Температура плавления
5. Огнеупорность
6. Теплопроводность

Химический состав

Кислотные огнеупоры

Кислотные огнеупоры, как правило, непроницаемы для кислотных материалов, но легко подвергаются воздействию основных материалов, и поэтому используются с кислотным шлаком в кислых средах. Они включают такие вещества, как кремнезем , глинозем и огнеупорные кирпичи из огнеупорной глины . Известными реагентами, которые могут воздействовать как на глинозем, так и на 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.

• Силикатные огнеупоры — это огнеупоры, содержащие более 93% оксида кремния (SiO ₂ ). Они кислотные, обладают высокой устойчивостью к тепловому удару, флюсу и шлаку, а также высокой устойчивостью к скалыванию. Силикатные кирпичи часто используются в черной металлургии в качестве материалов для печей. Важным свойством силикатного кирпича является его способность сохранять твердость при высоких нагрузках до точки плавления. ^[2] Силикатные огнеупоры обычно дешевле, поэтому их легко утилизировать. Разработаны новые технологии, которые обеспечивают более высокую прочность и большую продолжительность литья с меньшим количеством оксида кремния (90%) при смешивании с органическими смолами.
• Циркониевые огнеупоры — это огнеупоры, в основном состоящие из оксида циркония (ZrO ₂ ). Они часто используются для стекловаренных печей, поскольку обладают низкой теплопроводностью, 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 глинозема (Al ₂ O ₃ ) и кремнезема (SiO ₂ ). Алюмосиликатные огнеупоры могут быть полукислыми, шамотными композитными 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 относится к группе RO, из которых магнезия (MgO) является распространенным примером. Другие примеры включают доломит и хроммагнезию. В первой половине двадцатого века в процессе производства стали в качестве материала футеровки печи использовался искусственный периклаз (обожженный магнезит ).

• Магнезитовые огнеупоры состоят из ≥ 85% оксида магния (MgO). Они обладают высокой шлакоустойчивостью к извести и шлакам с высоким содержанием железа, высокой абразивной и коррозионной стойкостью, а также высокой огнеупорностью под нагрузкой и обычно используются в металлургических печах. ^[16]
• Доломитовые огнеупоры в основном состоят из карбоната кальция и магния . Обычно доломитовые огнеупоры используются в конвертерных и рафинировочных печах. ^[17]
• Магнезиально-хромовые огнеупоры в основном состоят из оксида магния (MgO) и оксида хрома (Cr ₂ O ₃ ). Эти огнеупоры обладают высокой огнеупорностью и имеют высокую устойчивость к агрессивным средам.

Нейтральные огнеупоры

Они используются в областях, где шлаки и атмосфера являются либо кислыми, либо основными и химически устойчивы как к кислотам, так и к основаниям. Основное сырье относится к группе R ₂ O ₃ , но не ограничивается ею . Распространенными примерами этих материалов являются глинозем (Al ₂ O ₃ ), хром (Cr ₂ O ₃ ) и углерод. ^[2]

• Углеродграфитовые огнеупоры в основном состоят из углерода . Эти огнеупоры часто используются в сильно восстановительных средах, а их свойства высокой огнеупорности обеспечивают им отличную термическую стабильность и устойчивость к шлакам.
• Хромитовые огнеупоры состоят из спеченной магнезии и хрома. Они имеют постоянный объем при высоких температурах, высокую огнеупорность и высокую стойкость к шлакам. ^[18]
• Алюмооксидные огнеупоры состоят из ≥ 50% глинозема (Al ₂ O ₃ ).

Метод изготовления

1. Процесс сухого прессования
2. Литой сплав
3. Ручная формовка
4. Сформированный (обычный, обожженный или химически связанный)
5. Неформованные (монолитно-пластичные, набивные и торкрет-массы, огнеупорные смеси, растворы, сухие виброцементы).
6. Неформованные сухие огнеупоры.

Размер и форма

Огнеупорные изделия изготавливаются в стандартных и специальных формах. Стандартные формы имеют размеры, которые соответствуют соглашениям, используемым производителями огнеупоров, и, как правило, применимы к печам или горнам тех же типов. Стандартные формы обычно представляют собой кирпичи, которые имеют стандартный размер 9 дюймов × 4,5 дюйма × 2,5 дюйма (229 мм × 114 мм × 64 мм), и этот размер называется «эквивалентом одного кирпича». «Эквиваленты кирпича» используются для оценки того, сколько огнеупорных кирпичей требуется для установки в промышленную печь. Существуют ряды стандартных форм различных размеров, изготовленных для изготовления стен, крыш, арок, труб и круглых отверстий и т. д. Специальные формы специально изготавливаются для определенных мест внутри печей и для конкретных печей или горнов. Специальные формы обычно менее плотные и, следовательно, менее износостойкие, чем стандартные формы.

Неформованный (монолитный)

Они не имеют предписанной формы и форму им придают только при нанесении. Эти типы известны как монолитные огнеупоры. Распространенными примерами являются пластичные массы, набивные массы, литые массы, торкрет-массы, футеровочные смеси и растворы.

Сухие вибрационные футеровки, часто используемые в футеровках индукционных печей , также являются монолитными и продаются и транспортируются в виде сухого порошка, обычно с магнезиально-глиноземным составом с добавлением других химикатов для изменения определенных свойств. Они также находят все большее применение в футеровках доменных печей, хотя это использование все еще редко.

Температура плавления

Огнеупорные материалы классифицируются на три типа в зависимости от температуры плавления .

• Обычные огнеупоры имеют температуру плавления 1580–1780 °C (например, шамот).
• Высокоогнеупорные материалы имеют температуру плавления 1780–2000 °C (например, хромит)
• Сверхогнеупорные материалы имеют температуру плавления > 2000 °C (например, цирконий)

Огнеупорность

Огнеупорность — это свойство многофазного огнеупора достигать определенной степени размягчения при высокой температуре без нагрузки, измеряется с помощью пирометрического конусного эквивалентного теста (PCE). Огнеупоры классифицируются как: ^[2]

• Суперобязательство: значение PCE 33–38
• Высокая пошлина: значение PCE 30–33
• Промежуточная пошлина : значение PCE 28–30
• Низкая пошлина : значение PCE 19–28

Теплопроводность

Огнеупоры можно классифицировать по теплопроводности как проводящие, непроводящие или изолирующие. Примерами проводящих огнеупоров являются карбид кремния (SiC) и карбид циркония (ZrC), тогда как примерами непроводящих огнеупоров являются кремний и глинозем. Изоляционные огнеупоры включают материалы на основе силиката кальция , каолин и цирконий.

Изоляционные огнеупоры используются для снижения скорости потери тепла через стенки печи. Эти огнеупоры имеют низкую теплопроводность из-за высокой степени пористости, с желаемой пористой структурой небольших, однородных пор, равномерно распределенных по всему огнеупорному кирпичу, чтобы минимизировать теплопроводность. Изоляционные огнеупоры можно далее классифицировать 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
• Печь из кирпича

Ссылки

1. Эйлса Аллаби и Майкл Аллаби (1996). Краткий словарь наук о Земле . Oxford Paperbacks Oxford University Press.
2. "Огнеупоры и классификация огнеупоров". IspatGuru . Получено 6 марта 2020 г. .
3. ASTM Том 15.01 Огнеупоры; Активированный уголь, Современная керамика
4. "Насколько холодны огнеупорные материалы?" (PDF) . Журнал Южноафриканского института горного дела и металлургии . 106 (сентябрь): 1–16. 2008 . Получено 22 апреля 2016 .
5. Гровер, Микелл П. (7 января 2010 г.). Основы современного производства: материалы, процессы и системы. John Wiley & Sons . ISBN 9780470467008.
6. Зоннтаг, Кисс, Банхиди, Вебер (2009). «Новые решения в области печной мебели для технической керамики». Ceramic Forum International . 86 (4): 29–34.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
7. Роза, Грег (2009). Цирконий. Издательская группа Rosen. 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. Получено 22 апреля 2011 г.
9. Гафний. Архивировано 11 августа 2017 г. в Wayback Machine , Лос-Аламосская национальная лаборатория.
10. Энциклопедия науки и техники McGraw-Hill: международный справочник в пятнадцати томах, включая указатель. McGraw-Hill. 1977. стр. 360. ISBN 978-0-07-079590-7. Получено 22 апреля 2011 г.
11. "Гафний". Британская энциклопедия . Британская энциклопедия, Inc. Проверено 17 декабря 2010 г.
12. Alaa, Hussein. "Введение в огнеупоры" (PDF) . Технологический университет - Ирак .
13. «Огнеупорные материалы для контроля коррозии системы защиты отражателя пламени: обзор аналогичных отраслей и/или стартовых комплексов». NASA, январь 2009 г.
14. "Accuratus". Оксид алюминия, свойства керамики Al2O3 . 2013. Получено 22 ноября 2014 .
15. Полубояринов, Д. Н. (1960). Высокоглиноземистые керамические и огнеупорные материалы . Москва.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
16. "Магнезитовые огнеупоры". www.termorefractories.com . Получено 6 марта 2020 г. .
17. "Доломитовый кирпич и магнезиальный доломитовый кирпич". www.ruizhirefractory.com . Получено 6 марта 2020 г. .
18. "Хромитовые огнеупоры". termorefractories.com . Получено 6 марта 2020 г. .

Внешние ссылки