4.2.5.2. Алюмосиликатные огнеупорные изделия

В зависимости от содержания окиси алюминия алюмосиликатные огнеупоры подразделяются на полукислые с содержанием Al₂O₃ до 28 %, шамотные с содержанием Al₂O₃ от 28 до 45 % и высокоглиноземистые с содержанием Al₂O₃ свыше 45 %.

Сырьем для производства алюмосиликатных огнеупоров служат либо природные глины, иногда с введением добавок (полукислые и шамотные огнеупоры), либо естественное или искусственное сырье с большим содержанием Al₂O₃ (бокситы, электроплавленный корунд). Для изготовления высокоглиноземистых изделий высшей огнеупорности применяется технический глинозем, который содержит 99…99,5 % окиси алюминия. Технический глинозем получают химической обработкой бокситов с последующим прокаливанием при температуре 1000…1200 ⁰С. Чистый корунд в природе встречается крайне редко, и поэтому в промышленности огнеупоров применяется электроплавленный корунд, выпускаемый также для нужд абразивной промышленности. Его огнеупорность около 2000 ⁰С.

Полукислые огнеупорные изделия изготавливают из огнеупорных глин или каолинов, отощенных шамотом из полукислых глин и первичных каолинов, а также кварцевым песком, молотым кварцитом и кварцевым перлитом.

Полукислые изделия, изготовленные из первичных каолинов с природной примесью кварца, имеют огнеупорность не ниже 1710 ⁰С, в этих изделиях содержится приблизительно 70…80 % SiO₂ и 15…20 % Al₂O₃. Полукислые изделия, приготовленные из запесоченных глин, имеют огнеупорность 1610…1700 ⁰С.

Шамотные огнеупоры изготавливаются путем обжига огнеупорных глин или каолинов с отощением их шамотом или непластичной глинистой породой. Шамот – обожженная до спекания тонкомолотая огнеупорная глина.

По количеству шамота в огнеупорной массе различают бесшамотные и малошамотные изделия при содержании шамота, не превышающем 20…30 %; шамотные – с содержанием шамота 40…65 % и многошамотные, если его более 80 %.

К шамотным огнеупорным изделиям относятся также шамотно-каолиновые изделия, изделия из низкообожженного шамота, а также безобжиговые и бесшамотные. Технология производства шамотно-каолиновых изделий мало чем отличается от технологии шамотных. Целесообразность использования каолина в качестве исходного сырья обусловливается повышением содержания Al₂O₃ в обожженном изделии до 42…45 % и уменьшением содержания плавней с 5…6 до 2,5…3 %. Огнеупорность таких изделий при этом увеличивается по сравнению с материалами, изготовленными на глинистом сырье, на 30…50 ⁰С и составляет 1750…1780 ⁰С.

Для получения низкообожженного шамота пластические глины обжигают при температуре 600…800 ⁰С, не доводя сырье до спекания. В процессе такого обжига происходит дегидратация глины, она теряет свою пластичность и становится отощающим материалом. Такой низкожженный шамот измельчают и вводят в массу так же, как и при производстве обычных шамотных изделий. Во время обжига изделий усадка шамота и связующей глины происходит практически одновременно. Благодаря этому уменьшается разрыв между шамотными зернами и частицами глины и изделия получаются более плотными и прочными (предел прочности таких изделий на сжатие 40…60 МПа). Сопротивление истираемости и газопроницаемости у них значительно выше, чем у обычных шамотных изделий.

Недостатком изделий из низкожженного шамота является большая усадка, достигающая 12…14 %, что затрудняет получение изделий правильной геометрической формы и с точными размерами.

Идея использования безобжиговых изделий для кладки тепловых установок заключается в том, что сырец, предназначенный для кладки теплового агрегата, обжигается в процессе службы этого агрегата. Примером «сырцовой футеровки» являются огнеупорный бетон, а также безобжиговые изделия, прессованные из магнезита и хромита. Безобжиговые шамотные изделия должны иметь достаточную прочность и более высокую водостойкость, чем у обычного шамотного сырца, что необходимо при перевозках, хранении и кладке изделий. Дополнительная усадка их в эксплуатации не должна превышать 0,7 %. Хотя при уменьшенных температурах безобжиговые изделия служат удовлетворительно, они не равноценны обожженным изделиям, потому что при высоких температурах (выше 1200 ⁰С) у них наблюдается большие усадочные явления и деформации.

Сырьем для производства бесшамотных изделий могут служить плотные глинистые сланцы. Такие сланцевые породы не размокают в воде, уменьшают пластичность массы, являясь отощающим материалом, подобно шамоту, снижают огневую усадку изделий. Сильно уплотнившиеся под давлением в земной коре, они в процессе обжига дают плотно спекшийся огнеупор при небольшой огневой усадке. Благодаря отсутствию затрат на производство шамота стоимость изделий на основе таких глинистых сланцев значительно ниже, чем шамотных.

Шамотные огнеупорные изделия, огнеупорность которых обуславливается химическим составом применяемого сырья и фазовым составом получаемых изделий и находится в пределах 1580…1770 ⁰С, в зависимости от огнеупорности сырья делится на четыре класса. Шамотно-каолиновые же изделия, изготовленные из обогащенного или вторичного каолина, – на два класса (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Классификация шамотных и шамотно-каолиновых изделий в зависимости от огнеупорности сырья

Тип изделия	Класс	Содержание Al2O3, %	Огнеупорность, 0С, не ниже
Шамотные	О А Б В	40…45 38…42 32…38 30…34	1750 1730 1670 1580
Шамотно-каолиновые	О А	40…45 38…42	1750 1730

Пористость шамотных изделий в зависимости от их назначения колеблется в пределах 15…30 %. Предел прочности при сжатии 10…40 МПа.

Шамотные изделия вследствие их большой, сравнительно со многими другими огнеупорами, термической стойкости, достаточно высокой огнеупорности, шлакоустойчивости, распространенности сырья получили самое широкое применение.

Полукислые и шамотные изделия в зависимости от их назначения, исходного сырья, сложности формы, размеров формуют методом полусухого или пластического формования, а также трамбованием. Влажность свежеотформованных изделий в зависимости от способа изготовления колеблется от 5 до 20 %, поэтому перед обжигом полуфабрикат обычно сушат, как правило, в туннельных сушилках при температуре 100…120 ⁰С. Обжиг обычно проводится при температурах, превышающих на 100…150 ⁰С температуру полного спекания глины.

Шамотные изделия при длительной службе в печах при температурах, превышающих температуру их обжига, дают дополнительную усадку, которая зависит в основном от состава масс, используемых для производства изделий, и температуры их обжига. Полукислые изделия в службе имеют меньшую усадку, чем шамотные, а некоторые из них дают рост. В этом преимущество полукислых изделий перед обычными шамотными.

Полукислые и шамотные огнеупоры используют в производстве чугуна для футеровки доменных печей, воздухонагревателей и чугуновозных ковшей, в сталеплавильном производстве для кладки некоторых элементов, работающих при относительно невысоких температурах, элементов мартеновских печей и в качестве изделий для разливки стали. Шамотные огнеупоры используют для футеровки вращающихся печей, вагранок, сводов стекловаренных печей и др.

Высокоглиноземистые изделия разделяются на четыре группы в зависимости от содержания в них Al₂O₃ и фазового состава: муллито-кремнеземистые (содержание Al₂O₃ 45…62 %), муллитовые (62…72 %), муллитокорундовые (72…90 %) и корундовые (свыше 90 %).

Муллит 3Al₂O₃·2SiO₂ имеет температуру плавления 1910 ⁰С, корунд Al₂O₃ – 2050 ⁰С.

Увеличение содержания Al₂O₃ в высокоглиноземистых изделиях повышает их химическую стойкость.

Способы подготовки массы к прессованию высокоглиноземистых изделий аналогичны подготовке массы шамотных изделий. Основой производства является получение плотно спекающегося шамота, который является отощающим материалом и связывается при формовании изделий пластичной спекающейся глиной (15…20 % глины и 80…85 % шамота). Отформованные изделия сушат, а затем обжигают при температуре 1500…1650 ⁰С.

Технологические особенности изготовления плавленых высокоглиноземистых (муллитовых) изделий заставляют выделить их в особую группу изделий, применяемых главным образом в стекольной промышленности. Производство их основывается на получении очень плотных огнеупоров методом отливки из расплавленных масс. Преимуществом этого метода является возможность использования природного высокоглиноземистого сырья, главным образом, бокситов, так как в процессе плавки имеется возможность удалить избыточное количество железа.

Для получения плавленых муллитовых огнеупоров применяют электродуговые печи, в которых можно получить количество расплава, достаточное для отливки одного бруса для стекловаренных печей (около 200 кг). Весьма важным процессом в производстве плавленых муллитовых изделий является их термическая обработка при охлаждении – отжиг, при котором необходимо получить наиболее полную кристаллизацию расплава.

По мере увеличения содержания в высокоглиноземистых огнеупорах Al₂O₃ возрастают значения всех механических свойств и модуля упругости изделий. Одновременно повышается предельная температура, при которой изделия сохраняют высокие значения механических свойств. Хотя по термической стойкости высокоглиноземистые изделия уступают шамотным.

Плавленые высокоглиноземистые изделия характеризуются следующими основными свойствами: огнеупорностью от 1820 до 1960 ⁰С в зависимости от содержания глинозема, плотным черепком, пористостью в пределах 0…3 %, пределом прочности при сжатии до 300 МПа, температурой начала деформации под нагрузкой 1600…1700 ⁰С, сравнительно небольшим коэффициентом линейного расширения 6…7·10^-6 1/⁰С.

Высокоглиноземистые огнеупоры используются для кладки доменных печей, для кладки шахт и куполов воздухонагревателей доменных печей большой емкости, а также для кладки ванн стекловаренных и мартеновских печей и печей для плавки редких и драгоценных металлов.

Область применения и размеры некоторых алюмосиликатных изделий представлены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Форма и размеры алюмосиликатных огнеупорных изделий

Изделия	Марка		Размеры, мм	Назначение
Полукислые
Кирпич прямой		В – 1 В – 2	230×150×75 345×150×75	Для кладки воздухонагревателей доменных печей
Клин торцовый		В – 3	230×150×135×75	То же, в сочетание с кирпичом марки В - 1
Шамотные
Кирпич прямой	ПМ – 45 ПМ – 46 ПМ – 47		230×113×40 230×113×65 230×150×75	Для кладки днищ сталеразливочных ковшей То же Для кладки посадок регенераторов
Клин торцовый	ПМ – 50		230×113×65×45	Для кладки сводов над боровами.
Брус	ШС – 1 ШС – 2		1000×400×300 400×300×300	Для кладки бассейнов стекловаренных печей
Высокоглиноземистые
Кирпич прямой	ВГ – 62 ВГ – 72		230×150×75 345×150×75	Для футеровки сталеразливочных ковшей