4.1.4 Физические и химические свойства огнеупоров

Основные свойства огнеупорных изделий.

1. Прочность на сжатие при обычных температурах.

2. Стойкость в кладке печей против сжатий при высо­ких температурах процесса.

3. Огнеупорность изделий (материалов), т. е. их стойкость против высоких температур, при которых они не размягчаются (не переходят в жидкое состояние) и сохраняют свою форму.

4. Термическая устойчивость изделий, понимаемая как способность огнеупоров противостоять резким изме­нениям температур.

5. Химическая устойчивость по отношению к расплав­ленным массам, соприкасающимся с огнеупорной клад­кой печей и по отношению к газам заполняющим печи.

6. Пористость и газопроницаемость.

7. Теплопроводность.

8. Электропроводность при высоких температурах.

Важнейшим свойством огнеупорных изделий являет­ся химическая стойкость их против агрессивного воздей­ствия расплавленных солей, шлаков и металлов, так как наибольший процент огнеупоров, расходуемых в печах, разрушается химическим воздействием расплавов. При плавке стали в мартеновских печах и конвертерах, при температурах 1700-1750° С расплав обладает высокой химической активностью и его разъедающее воздейст­вие на футеровку печей очень велико. В нагревательных печах огнеупоры интенсивно разъедаются плавящейся окалиной. Важное значение имеет это свойство огнеупо­ров в цветной металлургии и металлургии редких ме­таллов.

Пористость огнеупоров. Огнеупорные изделия являются пористыми телами. Стойкость огнеупоров против шлакоразъедания зависит от пористости изделия. С увеличением пористости огне­упоров значительно возрастает поверхность их контакта с расплавом и резко падает стойкость огнеупоров про­тив шлакоразъедания. В печах с контролируемой сре­дой, где фильтрация газа через футеровку недопустима, используют огнеупоры с минимальной пористостью. Ог­неупоры, используемые в вакуумных печах, тоже долж­ны иметь минимальную пористость с тем, чтобы умень­шить непроизводительную работу вакуумных насосов по откачке газов из их пор.

Размер пор, их структура и количество в огнеупор­ных изделиях весьма разнообразны: в легковесных огне­упорах пористость достигает 60-75%, а для большинст­ва огнеупорных изделий она находится в пределах 15-28%, уменьшаясь до 10% и даже до нуля у плавленых изделий. Пористость обожженных изделий представля­ет собой комбинацию небольших объемов, связанных между собой капиллярами, или полностью изолирован­ных друг от друга малых объемов, заполненных газом. Поэтому можно рассматривать:

1) общую, или истинную, пористость, под которой по­нимается сумма всех пор, содержащихся в изделии;

2) кажущуюся, или открытую, пористость, т. е. отно­шение объема, занятого в изделии порами, сообщающи­мися между собой, и окружающей средой, к общему объему огнеупора, выраженному в %;

3) закрытую пористость, которая представляет со­бой сумму пор, изолированных друг от друга и от окру­жающей огнеупор среды.

Величина пор в огнеупорных изделиях колеблется в весьма широких пределах, от нескольких миллиметров до молекулярных размеров. Поры, связанные между собой и с внешней средой капиллярами, обусловливают пропитывание огнеупорных изделий расплавами. Пори­стость огнеупоров тесно связана с водопоглощением и водопроницаемостью, шлакопроницаемостью и газо­проницаемостью. Определение пористости огнеупоров довольно сложно, поэтому пористость их определяют че­рез водопоглощение. Обычно водопоглощение огнеупо­ров начинается с определения их объемной массы. Объемной массой огнеупоров называется отношение первоначальной массы сухого образца к его объему

, кг/м³

где Р_г - масса сухого образца, кг;

V - объем образца, м³.

Водопоглощением называется отношение массы поглощенной воды после З ч кипячения огнеупорного образца к первоначальной массе образца:

100%,

где Р_г - масса сухого образца до кипячения, г;

Р₂ - масса влажного образца после кипячения, г.

Кажущаяся пористость огнеупорных изделий определяется отношением прироста массы образца по­сле водопоглощения кипячением к его объему, выра­женному в см³:

100%,

где V - объем образца, см³.

Кажущуюся пористость можно представить как произ­ведение объемной массы изделия на горячее водопогло­щение:

Отношение объемной массы образца к его плотности ρ представляет собой долю его объема, приходящегося на совершенно плотное тело, без пор:

Это равенство характеризует собой степень плотности изделия.

Истинная или общая пористость огне­упорных изделий представляет собой разность объемов пористого и сплошного тела, без пор:

Закрытая пористость. Зная истинную и ка­жущуюся пористость можно определить закрытую по­ристость огнеупорного изделия: закрытая пористость оп­ределяется вычитанием из общей кажущейся пористо­сти.

Газопроницаемость огнеупоров. Газопроницаемость огнеупорных изделий зависит от структуры огнеупора, от температуры и давления, при которых происходит действие газа, от величины и ха­рактера пор.

Газопроницаемость огнеупоров находится в прямой зависимости от количества и диаметра сквозных пор. Пористость и газопроницаемость огнеупорных изделий особо важное значение приобретает в металлургии цветных, редких и благородных металлов, где потеря каждого грамма ценного металла имеет очень большое значение.

С увеличением пористости огнеупорных изделий воз­растает их способность впитывать металлы во время плавки, и, следовательно, увеличивать их потери, и как следствие значительно понижать извлечение полезных элементов из сырья. Поэтому, должно быть обращено особое внимание на это качество огнеупорных изделий при проектировании и сооружении металлургических печей.

Теплопроводность огнеупоров. Огнеупорные изделия используются при сооружении печей в качестве строительного материала. Кроме того, во время плавки руд или металлов огнеупорная футе­ровка изолирует рабочий объем печей от окружающей среды и препятствует распространению тепла за преде­лы печи, так как, большинство огнеупоров обладает низкой теплопроводностью (табл.2). В некоторых металлургических процессах огнеупоры должны являться посредниками при переносе тепла через стенку к нагре­ваемому материалу.

Таблица 2 Коэффициенты теплопроводности огнеупоров

Наименование огнеупоров	Температурный коэффициент теплопроводности, λ1, Вт/м К	Коэффи­циент λ1, Вт/м К при рабо­чей тем­пературе	Рабочая температу­ра, К
Кирпич
Шамотный	(0,72+0,0005 t) 1,16	1,65	1620—1720
Пеношамотный	(0,24+0,0002t)1,16	0,59	1620
Легковесный шамот	(0,09+0,000125t) 1,16	0,29	1570
Динасовый	(0,8+0,0006г) 1,16	2,11	1970
Магнезитовый	(4,0—0,0015г)1,16	0,75	1920—1970
Хромомагнези- товый	1,6-1,7(0-600°С) 1,16	-	1970
Хромитовый	(1,1+0,00035 01,16	1,966	1920—1970
Диатомитовый	(0,097+0,0002 01,16	0,309	1120
Изделия
Силлиманитовые	(1,45—0,0002 01,16	1,299	1920
(муллитовые)
Корундовые	(1,8+0,0016 t)16	5,24	1920—1970
Циркониевые	(1,12+0,00055 t)16	2,447	2020—2070
Карбофракс	(18—0,009 t)16	15,66	1670—1770
Угольные	(20—0,030 t)16	16,24	2270
Графитовые	(140—0,035 t)16	81,20	2270
Изоляционные материалы:
Асбест распушенный	(0,112+0,00016 t)16	0,2598	700
Диатомит (вермикулит)	(0,062+0,000225 t)16	0,280	900—1100
Шлаковая вата	(0,05+0,000125 t)16	0,167	750

Следовательно, к теплопроводности огнеупоров, в за­висимости от условий их службы, могут быть предъяв­лены разные требования.

В большинстве случаев огнеупоры служат в качестве изоляторов при движении тепла от рабочего объема пе­чи во внешнюю среду, в этом случае огнеупоры должны обладать минимальной теплопроводностью. Теплопро­водность огнеупоров определяется их химико-минерало­гическим составом и структурой. Большинство огнеупо­ров относится к плохим проводникам тепла. Исключе­ние представляют углеродные изделия — угольные, графитовые и карборундовые и в некоторой степени маг­незитовые.

Электропроводность огнеупоров. В современной металлургии черных металлов и осо­бенно металлургии цветных и редких металлов очень широко применяется электрическая энергия. Поэтому важно знать электрические свойства огнеупоров и изме­нение их с повышением температуры. Большинство огнеупорных изделий при обычной температуре не прово­дят электрического тока и некоторые из них применя­ются в качестве электрических изоляторов. При нагре­вании огнеупорных изделий их электрическое сопротив­ление значительно уменьшается.

Теплоемкость огнеупоров. При определении требуемого количества тепла на нагревание огнеупорной кладки печи надо знать величи­ну теплоемкости огнеупоров. Теплоемкость огнеупоров имеет большое значение при расчете насадки теплообменных аппаратов, типа регенераторов и кауперов, а также при определении расхода тепла периодически работающих печей. Теплоемкость различных огнеупоров определяется их природой и зависит от температуры.

Зависимость теплоемкости огнеупорных изделий от химического состава и температуры показана в табл.3.

Таблица 3 Теплоемкость огнеупоров при различных температурах

Огнеупоры (кирпич)	Химический состав огне­упоров, %	Объемная масса, кг/м3	Теплоемкость, кДж/кгК при температуре, К
			473	873	1273	1473
Шамотный Полукислый шамот Динас Магнезитовый Угольные элек­троды Графитированные изделия	40А12О3, 57 SiО2 30 А12О3, 63 SiО2 96 SiО2 88,85Мg0 9,31Fе203 С С	1800 1830 2040 2350 1480—1650 1500—1700	0,94 0,88 0,99 1,06 1,97 1,36	1,34 1,143 1,18 1,22 - -	1,25 1,24 1,21 1,26 - -	1,28 1,26 1,22 1,42 - -