6. Цирконистые огнеупорные материалы

Цирконистые материалы имеют в качестве огнеупорной основы или чистый диоксид циркония ZrO₂ с температурой плавления 2950 °С или минерал циркон с температурой плавления 2430 °С. Пер­вые называются циркониевыми, а последние — цирконовыми.

Циркониевые огнеупоры изготовляют из минерала бадделеита, состоящего из диоксида циркония ZrO₂ и встречаю­щегося в природе с такими примесями, как А1₂О₃, SiO₂, Fe₂O₃ и др. К тонкомолотой шихте добавляют 4—5 % изве­сти, служащей в качестве стабилизатора полиморфных пре­вращений ZrO₂ и предупреждающей значительное измене­ние объема изделий при нагреве в процессе службы благодаря созданию устойчивой кристаллической структуры. Из этой массы делают брикеты, подвергаемые затем первичному обжигу при 1700 °С. Обожженные и остывшие бри­кеты размалывают, добавляют 10% порошка необожжен­ного диоксида циркония и, получив посредством прессова­ния, трамбовки или отливки в формы изделия, подвергают их окончательному обжигу при 1700 °С.

Цирконовые огнеупоры изготовляют по технологии, от­личающейся от описанной только тем, что в качестве сырья используют циркон, к которому при первичном обжиге не добавляют известь. В окончательный состав цирконовых огнеупоров входит 59—63 % ZrO₂ и 32—34 .% SiO₂.

Применение и свойства цирконистых огнеупоров

Цирконистые изделия имеют высокую температуру службы: порядка 1700—1800 °С и достаточно высокую термостойкость до 12 водяных теплосмен. Из этого материала выполняют тигли, предназначенные для плавки чистой пла­тины, иридия и других металлов этой группы, а также квар­цевого стекла. Однако диоксид циркония плохо противо­стоит основным шлакам при высоких температурах (около 2000 °С) и совсем плохо сопротивляется воздействию окси­дов железа и марганца. Это исключает применение цирко­ниевых тиглей для плавки железа и марганца в окислитель­ной среде. Диоксид циркония может также вступать во взаимодействие с углеродом при высоких температурах, об­разуя хрупкие карбиды. Циркониевые тигли выдерживают более 30 плавок платины.

Цирконовые изделия применяют для футеровки соляных ванн для нагрева стальных деталей под термическую обра­ботку, а также для изготовления стаканов и вкладышей ма­шин непрерывного литья заготовок. Значительная хрупкость этих изделий ограничивает их применение.

Циркониевые и цирконовые массы для обмазок рабочих поверхностей находят успешное применение в различных высокотемпературных печах и установках для защиты наи­более подверженных износу элементов футеровки.

7. Углеродсодержащие огнеупорные материалы

Углеродсодержащие огнеупоры содержат углерод в ко­личестве от 30 до 92 %. Углерод в кристаллической форме графита имеет очень высокую температуру плавления (3800 °С), однако его основным недостатком как огнеупор­ного материала является то, что на воздухе он начинает окисляться начиная с 700 °С. Графит встречается в природе в естественном виде и его также получают искусственно по­средством нагрева чистого антрацита до 2300°С в специальных электропечах. При этом происходит выделение всех примесей и перекристаллизация свободного углерода в гра­фит.

Из чистого графита огнеупорные изделия не изготовля­ют в связи с трудностями формования.

Глинистографитовые огнеупоры выполняют в форме тиг­лей для плавки цветных и черных металлов и сплавов, ста­канов и стопоров для сталеразливочных ковшей. Массу для производства глинистографитовых огнеупоров приготовля­ют из 35 % графита (предпочтительно чешуйчатого, а не зернового), 35—45 % огнеупорной глины и 10—30 % шамо­та. Из этой смеси изготовляют изделия. Их обжигают при 800—1000 °С (при производстве тиглей) и при 1300—1350 ^СС (при производстве сталеразливочного припаса). Обжиг ведут в безокислительной атмосфере, обеспечиваемой помеще­нием изделий в закрытые муфели, внутрь которых подсыпа­ют графит или уголь.

Рабочая температура этих изделий 1800 ^СС, а термостой­кость до 5 водяных теплосмен.

Коксовые (углеродистые) огнеупоры получают из угле­рода, входящего в состав кокса и термоантрацита с добав­кой смолы, играющей роль связки при формовке (прессо­ванием или трамбованием) изделий. Содержание углерода в них достигает 95 %. Эти изделия обжигают также в за­крытых муфелях с подсыпкой угля или графита при темпе­ратуре, достигающей 1400 °С. При этом кокс, образующийся из смолы, играет роль связующего вещества, соединяющего зерна исходного кокса и термоантрацита.

Коксовые изделия изготовляют в виде кирпичей нормаль­ного размера, а чаще в виде крупных блоков, размеры ко­торых достигают 550X550X3200 мм, а масса превышает 1200 кг. Температура службы готовых изделий превышает 2000 °С.

Разновидностью коксовых огнеупоров являются графитизированные углеродистые блоки, отличающиеся от обычных большей прочностью, стойкостью и теплопроводно­стью. Они характеризуются высокой предельной темпера­турой службы (~3000°С). При нагреве коксовые огнеупо­ры не размягчаются и не смачиваются шлаками. В некото­рых случаях вместо изделий делают набивную углеродистую футеровку.

Применение углеродсодержащих огнеупоров

Углеродсодержащие изделия можно применять только в печах с восстановительной атмосферой, так как при 700 °С они начинают гореть в окислительной атмосфере. Их высо­кая огнеупорность и термостойкость, несмачиваемость жид­кими шлаками и металлами предопределяет эффективное использование в плавильных печах.

Из глинистографитовых огнеупоров делают тигли и ста-леразливочный припас, а также муфели различного назна­чения. Износ и разрушение этих изделий происходят по мере выгорания графита и его вымывания расплавленным метал­лом.

Углеродсодержащие огнеупоры широко применяют для футеровки ферросплавных печей, электрических печей для плавки карбида кремния, выполнения выпускных желобов сталеплавильных печей и для кладки лещади и футеровки горна доменных печей. Рабочую футеровку горна выполняют из коксовых кирпичей, а многослойную лещадь выкла­дывают из блоков, тесно подгоняя их друг к другу во избе­жание просачивания жидкого чугуна.

Износ углеродсодержащей футеровки доменной печи происходит вследствие ее окисления входящими в состав шлака расплавленными оксидами железа и марганца, а также водяным паром и диоксидом углерода, образующи­мися при сжигании кокса или инжектируемых в печь мазу­та и природного газа. Естественный износ футеровки про­исходит вследствие ее расходования при науглероживании ею чугуна. Средний срок службы лещади и горна доменной печи, футерованных углеродистыми огнеупорами, составля­ет 7—8 лет.

Следует отметить, что углеродсодержащие огнеупоры ин­тенсивно разрушаются соединениями щелочных металлов (Na₂CO₃, K2CO3 и др.) даже в восстановительной атмосфере при температурах выше 800 °С. Поэтому при выплавке чугуна из руд, загрязненных этими соединениями следует подвергать руду тщательной очистке от них в процессе под­готовки к плавке или не применять для футеровки доменной печи углеродсодержащие огнеупорные изделия.