Физические свойства огнеупорных материалов

Пористость. Стойкость огнеупоров зависит от их пористости, которая изменяется в широких пределах: от 1 в плав­леных и до 80 % в изоляционных огнеупорах.

Поры в огнеупорных материалах могут быть трех видов: открытые, которые сообщаются с окружающей атмосферой; сквозные, проходящие сквозь изделие; закрытые, которые находятся внутри изделия и не сообщаются с окружающей атмосферой. Таким образом, пористость подразделяют на три вида:

1) общую, которая определяется как отношение объема всех пор к общему объему изделия;

2) кажущуюся – отношение объема открытых пор к общему объему изделия;

3) закрытую – отношение объема закрытых пор к общему объему.

Газы, шлак и металл способны попадать по порам внутрь огнеупорного изделия, поэтому, чем больше кажущаяся пористость, тем хуже огнеупор про­тивостоит их разъедающему действию.

Газопроницаемость. В огнеупорных материалах присутствуют сквозные поры и при наличии разности давлений между окружающей атмосферой и печным пространством через них могут про­ходить газы.

Между газопроницаемостью и общей пористостью определен­ной зависимости нет. Газопроницаемость связана только со сквозной пористостью. С ростом температуры газопроницаемость огнеупоров понижается, так как при этом увеличивается вязкость газов.

Теплопроводность. Огнеупорные материалы должны обладать низкой теплопроводностью. Только, когда тепло требуется передать через огне­упоры (например, в муфелях, рекуператорах), теплопроводность должна быть достаточно высокой. Теплопроводность зависит от температуры, природы материала и его пористости. С ростом температуры тепло­проводность огнеупоров повышается. Кристаллические вещества более теплопроводны, чем аморфные (кроме магнезита и форстерита). Увеличение пористости снижает теплопровод­ность.

Электропроводность. Огнеупорные материалы при низких температурах, в большинстве случаев, являются диэлектриками. При повышении температуры в них появляется жидкая фаза и их элек­тропроводность начинает возрастать. Например, шамотные и динасовые огнеупоры при температуре выше 1200 °С становятся элек­тропроводными.

Теплоемкость. Теплоемкость огнеупоров важна при выборе материалов для регенераторов и печей перио­дического действия. С повышением температуры теплоемкость огнеупоров возра­стает. Величина теплоемкости огнеупоров колеблется от 0,4 до 1,7 .

Рабочие свойства огнеупорных материалов

Огнеупорность. Способность материалов сохранять механическую прочность при длительных воздействиях высоких температурах без нагрузки называется огнеупорностью. Это одно из основных свойств, которое определяет возможность применения огнеупора в тех или иных условиях. Огнеупорность определяют следующим методом. Из испытуемого огнеупорного материала изготавливают усеченные трехгранные пирамидки-пироскопы. Пироскопы устанавливают в печь вместе с эталонными пирамидками огнеупор­ность которых известна. С ростом температуры пироскопы под действием собственного веса начинают деформироваться. В определенный момент времени регистрируют одновременное касание пода печи вершинами испытуемой пирамидки и одного из образцов с известно огнеупорностью, что говорит об одинаковой их огнеупорности.

В обозначении огнеупорности буквы ПК означают пироскоп конусный, а трехзначная цифра характеризует огнеупорность. Например, обозначение ПК 165 говорит, что огнеупорность материала 1650 К.

В большинстве случаев огнеупоры разрушаются при температурах ниже величины их огнеупорности. Такое явление происходит в результате взаимодействия огнеупоров со шлаками, пылью, при их недостаточной термостойкости или из-за малой механической прочности. Поэтому огнеупорность не может быть единственным критерием при выборе огнеупорного материала.

Термостойкость. Свойство огнеупорных материалов вы­держивать резкие колебания температур без их разрушения назы­вается термостойкостью.

Испытание на термостойкость производят с помощью на­грева и последующего резкого охлаждения изделия в воде или на воздухе. При охлаждении в воде изделие нагревают до 850 °С, а затем охлаждают в проточной воде. Цикл, состоящий из одного нагрева и охлаждения, называется теплосменой. Чем больше теплосмен выдерживает огнеупор до момента потери более 20 % своей массы, тем выше его термостойкость.

Механическая прочность. При работе в печах огнеупорные материалы подвергаются сжатию и механическому истиранию, поэтому они должны иметь необходимую механическую прочность. Фактическая нагрузка на огнеупоры колеблется от не­скольких единиц до 30 , и почти никогда не превышает 80 .

Шлакоустойчивость. Способность огнеупоров противо­стоять разъедающему дейст­вию шлаков называется шлакоустоичивостью. Шлакоустойчивость зависит от хи­мического состава огнеупоров, состава шлака, пористости материала и температуры.

Чем ближе химический состав огнеупора к химическому составу шлака, тем меньше шлакоразъедание. Основные огнеупоры (магнезитовые, хромомагнезитовые, доло­митовые и др.) устойчивы против действия основных шлаков, а кислые огнеупоры (динасовые, полу кислые) устойчивы против кислых шлаков.

Шлак реагирует с его поверхностью огнеупора и проникает по порам внутрь материала. Таким образом, для кладки элементов, которые имеют контакт с разъедающей средой, требуются огнеупоры с низкой пористостью.

Шлакоразъедание огнеупоров протекает медленно при температуре ниже 1000 °С. С повышением тем­пературы увеличивается жидкоподвижность шлаков, следовательно, разруше­ние огнеупоров возрастает.

Правильность формы и размеров огнеупорных изделий. Неточные размеры и неправильная форма огнеупоров усложняет кладку, которая становится менее плотной, влияя этим на технологический процесс и показатели работы печи. Поэтому формы, размеры и их отклонения для всех огнеупорных изделий стандартизированы.

Постоянство объема огнеупорных материалов. Для того, чтобы избежать в кладке дополнительных напряжений и ослаблений, приводящих к нарушению строительной прочности, особенно сводов и арок необходимо, чтобы огнеупоры сохраняли постоянным свой объем. На практике многие огнеупоры в печах изменяют свой объем результате термического расширения, усадки, деформации при нагрузке. Дополнитель­ный рост или усадку огнеупоров вычисляют по формуле:

,

где – объем после нагрева, ; – первоначальный объем, .

В магнезитовых и хромомагнезитовых огнеупорах процессы изменения объема (помимо деформации при нагрузке) обратимы. Их объем после охлаждения остается таким же, как до нагревания.

В шамотных и динасовых огнеупорах помимо обратимых процессов присутствуют и необратимые. В результате после работы в печах шамот уменьшается, а динас увеличивается в объеме.

Стоимость огнеупоров. При выборе огнеупорных материалов помимо технологической необходимо руководствоваться и экономической целесообразностью.

Более подробно об огнеупорной кладке различных типов печей, характеристиках огнеупорных материалов [5].