книги из ГПНТБ / Пивинский, Ю. Е. Кварцевая керамика

образуется испытываемым образцом (в форме пробир­ ки), присоединенным к нему патрубком и манометриче­ ской лампой для измерения давления. На основании изменения давления за определенное время в системе с известным объемом рассчитывали коэффициент газо­ проницаемости.

Величины коэффициентов газопроницаемости колеб­ лются в пределах от 1,4• 10~‘°до 72- ІО-10 (л • см)/(см2 -сХ Хкг-см-2) для образцов с плотностью от 2,01 до 2,10 г/см3. С повышением температуры до 1200“С коэф­ фициент проницаемости уменьшается на 20—50%, что связано с увеличением вязкости газа. На основании дан­ ных по газопроницаемости и кажущейся пористости был рассчитан средний размер капилляров.

Размеры капилляров, рассчитанные по газопроницае­

стных летательных аппаратов важным свойством явля­ ется стойкость к эрозии, в частности к дождевой и пы­ левой. Она является функцией твердости и прочности. Кварцевая керамика обладает повышенной твердостью, но имеет малую прочность. Поэтому по эрозионной стой­ кости она значительно уступает окиси алюминия.

Это подтверждается приведенными в работе [204] . экспериментальными данными. Сравнительным испыта­ ниям были подвергнуты конусы длиной 32,5 см с диамет­ ром. основания 14 см. Длина зоны дождя составляла 760 м, размер дождевых капель 2 мм, скорость их паде­ ния составляла 5 см вод. ст. в час. Конусы устанавли­ вались на ракетной тележке; скорость движения тележ­ ки составляла 885 м/с в зоне дождя. Было найдено, что хрупкие керамические материалы — окись алюминия и ситаллы не эродируют, а катастрофически разрушаются.

242

Исключение составляет кварцевая керамика, эрозия ко­ торой протекает с постепенным уносом массы. Причиной этого является ее пористость и зернистая структура.

Г л а в а IV

Применение кварцевой керамики

Кварцевая керамика может быть использована во многих областях, .где используется обычное кварцевое стекло, а также там, где применяется тонкая керамика или обычные огнеупорные керамические материалы. Си­ стематические сведения по применению кварцевой кера­ мики в литературе отсутствуют. Многие же из сообще­ ний носят рекламный характер. Кварцевая керамика используется преимущественно в новых или специаль­ ных областях применения керамических материалов. Последнее обусловлено тем, что многие новые области применения керамики возникли лишь за последние годы и здесь потребовался материал с отличной термостойко­ стью, постоянством электрофизических свойств, высо­ кими теплоизоляционными свойствами и способностью сохранять свои размеры при высоких температурах. Из всех известных керамических материалов этим требо­ ваниям в наибольшей мере соответствует кварцевая ке­ рамика, что и обусловило ее применение для этих целен.

Кварцевая керамика находит применение в качестве огнеупоров как общего, так и специального назначения, для ракетно-космической техники и в ряде других обла­ стей [|15, ©5].

ПРИМЕНЕНИЕ В КАЧЕСТВЕ ОГНЕУПОРОВ

(Кварцевая керамика применяется, как правило, при режимах (температура, время), не превышающих точку перехода в кристобалит. В некоторых случаях, однако, целесообразно в процессе службы производить превра­ щение керамики из аморфного в кристаллическое со­ стояние, благодаря чему повышаются ее эксплуатацион­ ные свойства и значительно расширяется интервал тем­ ператур службы. Температурный интервал службы изделий из кварцевой керамики обязательно должен вы­

243

бираться с учетом его продолжительности, режима ра­ боты, типа и чистоты применяемого материала. К при­ меру, несмотря на весьма высокую температуру службы кварцевой .керамики при использовании ее в качестве до­ заторов для непрерывной разливки стали (1490—1510°С), последняя весьма эффективна ввиду как малой продол­ жительности режима (до 1 ч), так и однократности при­ менения. Использование кварцевой керамики в качестве теплоизоляционных огнеупоров особенно эффективно при высоких температурах в течение сравнительно ко­ ротких промежутков времени (до 50—70 ч). По мере увеличения времени или температуры службы происхо­ дит образование крнстобалита. Существенное содержа­ ние последнего повышает теплопроводность кварцевой керамики вследствие образования на границе зерен кварцевого стекла крнстобалита.

.Вредное влияние образовавшегося крнстобалита не проявляется при высокой температуре, так как измене­ ние объема при фактическом переходе кварцевого стек­ ла в кристобалит не происходит вплоть до 180—270°С. В связи с этим кварцевая керамика успешно может при­ меняться и в тех случаях, где температура и продолжи­ тельность ее эксплуатации приводит к существенной .или полной кристобалитизации материала при однократной службе.

Кварцевая керамика в ряде случаев может быть ус­ пешно применена вместо других огнеупорных материа­ лов. Применение ее является эффективным в качестве теплоизоляции печей и тепловых агрегатов, для термо­ стойких деталей.

В качестве огнеупоров применяют кварцевую кера­ мику нескольких видов: теплоизоляционную с высокой пористостью — кварцевая пенокерамика, со средней по­ ристостью, высоколлотную и керамику на основе зерни­ стых масс. Каждый из этих видов керамики может иметь различные области применения.

С точки зрения применения кварцевой керамики для крупных монолитных огнеупорных изделий ее выгодно отличают исключительно низкая усадка в процессе суш­ ки и обжига (до 1—2%) и низкий КТР, позволяющий использовать детали при повышенных температурах без швов для компенсации расширения и без коробления. Это в сочетании с низкой теплопроводностью материала представляет большие удобства при проектировании и

244

сооружении печей и позволяет уменьшить размеры и значительно ускорить строительство тепловых агрегатов.

Наибольшее применение для изготовления крупнога­ баритных изделий находит кварцевая керамика на осно­ ве литейных масс с зернистым наполнителем [16J. Обычно чем больше размер отливки, тем более крупным должен быть размер зерен наполнителя. Универсальным соотношением по массе суспензии и зернистого наполни­ теля является 1:1, рекомендуется перед смешением смачивать 100 частей наполнителя 2 частями воды. Но этой технологии были получены монолитные плиты тол­ щиной 152 мм для подовой футеровки печей. Макси­ мальный размер изделий по длине составлял до 7,6 м. Сушка таких плит осуществляется в течение 8 ч.

Начало применению кварцевой керамики в качестве огнеупоров было положено в 1955 г. в США, когда тех­ нологический институт шт. Джорджия по договору с фирмой «Гласрок продакте» начал разработку техно­ логии изготовления постоянных литейных форм для ме­ таллургии [‘16]. Основными требованиями к материалу для таких форм были: хорошая технологичность, низкая стоимость, высокая термостойкость.

В качестве исходного материала для предваритель­ ного изучения был принят плавленый кварц, который после сухого измельчения подвергался смешиванию с суспензией коллоидно-дисперсного кремнезема для по­ лучения литейной массы. Однако при применении такой массы создавались большие трудности как при извлече­ нии готового изделия из формы, так и при сушке вслед­ ствие исключительной склонности к гелеобразованию. Вследствие этого были предприняты успешные попытки изготовления форм методом шликерного литья из вод­ ных суспензий кварцевого стекла как тонкозернистых, так и с зернистым наполнителем.

В работе [16] отмечают успешное использование кварцевой керамики для изготовления форм многократ­ ного использования для литья. Для выявления устойчи­ вости к кристаллизации расплав чугуна заливали в фор­ му и выдерживали до полного затвердевания. После пе­ риодически повторявшихся 12 таких циклов в материале

245

риала моделей, по которым изготовлялись формы, представилось возможным получить отливки по классу точности 4—6 и классу чистоты поверхности 4—5. Пре­ имуществом форм на основе кварцевой керамики по сравнению с другими является и меньшая их подвер­ женность образованию трещин и лучшие механические свойства.

В работе [16] приводится ряд примеров применения кварцевой керамики в качестве огнеупора общего назна­ чения. На основе керамики из зернистых.масс была из­ готовлена монолитная футеровка котла, успешно эксплу­ атирующаяся свыше двух лет. Для футеровки обжига­ тельной керамической печи на основе кварцевой кера­ мики из зернистых масс применяли необожженные па­ нели размером 122X152X15 см. Кварцевая пенокерамика была использована для футеровки тигельной печи при плавке алюминия, причем по сравнению с футеров­ кой из обычных огнеупоров экономия топлива достигала 50—60 % •

Кварцевая керамика успешно была использована в качестве труб для подачи расплавленного алюминия во время литья под низким давлением [16, 55]. Главными преимуществами применения керамики для этой цели является хорошая термическая стойкость и низкая теп­ лопроводность. Применение для этой цели чугунных труб связано с необходимостью их наружного обогрева для устранения охлаждения расплавленного алюминия, что устраняется применением труб из кварцевой керамики. Кроме того, при этом в несколько раз увеличивается продолжительность их службы. Отмечено, что частичная пропитка труб алюминием не влияла на их эксплуа­ тацию.

Производство изделий из кварцевой керамики в США осуществляется, в основном, фирмой «Гласрок» [55]*.

* Этой же фирмой разработан эффективный промышленный ме­ тод получения больших количеств непрозрачного кварцевого стекла из песка с последующ©]"! переработкой в крупку различной грануля­ ции. Такая крупка применяется в качестве исходного материала для огнеупоров из кварцевой керамики.

246

Отмечаются следующие области применения огнеупор­ ных изделий, выпускаемых этой фирмой:

1) в стекольной промышленности — оборудование для формовки или закалки зеркального стекла;

2)в установках для непрерывной разливки аммиака

ввиде деталей: разливочных стаканов, поплавков, фу­ теровки желобов, распределительных бачков, трубопро­ водов;

3) при формовке металла — для изготовления форм с высокой стойкостью к термическим ударам, для мик­ роплавки жароупорных сталей;

4)для решения проблемы формовки металлических листов из титана или бериллия;

5)для футеровок дверей коксовых печей, что ликви­ дировало проблему обязательного ремонта ввиду быст­ рого их разрушения из-за термических ударов.

В результате применения огнеупоров фирмы «Гласрок» в сталелитейной промышленности для трубопрово­ дов фурменных рукавов (стояков, колец и сопел) и ру­ башек для футеровки самих фурм улучшились показа­ тели работы доменных печей. Эти огнеупоры нашли так­ же применение в области непрерывной разливки стали „ для изготовления разливочных стаканов.

Обольших преимуществах применения кварцевой ке­ рамики для непрерывной разливки стали свидетельству­ ет тот факт, что фирма «Гласрок» в настоящее время обеспечивает необходимым припасом многие предприя­ тия Северо-Американского континента и Японии, а фрунцузская фирма «СЕС» (Carbonisation Entreprise et Ceramique)— предприятия ряда европейских стран.

Высокоплотная кварцевая керамика, изготовленная по технологии, приведенной в работе [б], опро'бована в качестве вставок-дозаторов при непрерывной разливке стали [68]. К указанным деталям предъявляются жест­ кие требования в отношении постоянства сечения их канала, потому что как зарастание, так и размывание канала дозирующего устройства приводит к аварийно­

му прекращению процесса.

Испытания вставок-дозаторов проводились на уста­ новке для непрерывной разливки стали. При этом раз­ ливались стали У12А, У13А, У79ХС, раскисленные А1 и Si'C. Дозаторы предварительно разогревались до 900— 930°С, температура стали при разливке находилась в пределах 1500—1540°С. В зависимости от марки стали

247

при продолжительности разливки 45—55 мин увеличе­ ние диаметра канала составило 0—0,6 мм, что значи­ тельно меньше по сравнению с параллельно испытывае­ мыми глиноземографитовыми дозаторами.

Кварцевая керамика на основе синтетического крем­ незема представляет интерес для оптического стеклова­ рения, так как, применяя ее' в виде сосудов для варки, можно получать изделия высокой чистоты и термостой­ кости [12, 13]. Стекловаренные изделия, применяемые для указанной цели, используются при температурах 1100—1600°С. В связи с тем что из всех модификаций кремнезема кристобалит является наиболее огнеупор­ ным и химически стойким, было признано наиболее эф­ фективным применять термообработку, обеспечивающую не только спекание, но и полную кристаллизацию квар­ цевой керамики перед действием стекломассы. При этом с целью достижения высоких показателей плотно­ сти, огнеупорности, химической стойкости без снижения термостойкости процесс термообработки рекомендовано осуществлять в следующей последовательности: предва­ рительное спекание изделия в печи обжига при темпера­ турах, далеких от кристаллизации (1000°С), а процессы основного уплотнения и последующей кристаллизации — непосредственно перед засыпкой шихты в стекловарен­ ной печи.

Испытание изделий на стеклоустойчивость было про­ ведено «а сосудах емкостью 1 л, обжигавшихся предва­ рительно при 1000°іС, затем помещавшихся в варочную печь, где перед засыпкой шихты подвергались вторичной термообработке (1150—1250°С), при которой происходи­ ла их объемная кристаллизация. При дальнейшей вы­ водке печи (1250—1300°С) в них была засыпана шихта и при 1440°С сварено стекло марки ТФ1. Все испытан­ ные сосуды (10 штук) выдержали варку без каких-либо деформаций и растрескиваний. Материал сосудов после варки был плотным (пористость 5%), по фазовому со­ ставу представлен в основном кристобалитом. Испытан­ ные изделия обладали высокой химической устойчиво­ стью, в то время как сосуды из плавленого кварца до перехода в кристобалит при указанных условиях разъе­ дались.

248

мование заготовки и ее термообработка осуществляются одновременно.

Кварцевая керамика имеет существенное значение н в процессах твердой пайки сотовых авиационных конст­ рукций из нержавеющей стали [16]. При нагревании до температуры твердой пайки собранную сотовую конст­ рукцию устанавливают на специальной опорной подстав­ ке с целью сохранения ее формы. К материалу подстав­ ки предъявляются жесткие требования в отношении точ­ ности размеров в большом интервале температур и теп­ лоизоляционных свойств. Указанным требованиям наи­ более полно отвечает кварцевая керамика.

Сообщается [206] о изготовлении и испытании труб из кварцевой керамики длиной 500—600 мм в установ­ ках непрерывной разливки стали. Последние были по­ лучены полусухим прессованием с применением кремнийорганического связующего. Через трубы разливали 150 т металла, износ канала при этом составил около 0,2 мм на 1 т стали.

Для аналогичных установок применяли и стаканы длиной 600—650 мм для подвода стали в кристаллиза­ тор [210]. Через них разливали по 160—260 т стали. Кварцевая керамика для этой цели была получена на основе непрозрачного кварцевого стекла (кварцевого бруса) и обладала следующими свойствами: плотность 1,80 г/см3, сгсж 850 кгс/см2, оШг 220 кгс/см2.

На основе плавленого кварца и гидравлически твер­ деющего связующего были получены безобжиговые фа­ сонные изделия, применяемые в качестве огнеупора для ■стекловаренных.-лечен [80]. Такие материалы хорошо противостоят воздействию шихты. После годичной экс­ плуатации огнеупор состоял из 60—83% тридимита, 15— 25% кристобалита и .7—17% аморфного SiC>2. Высокая термостойкость огнеупора при нижнем пределе падения температуры 800°С обеспечивает длительный срок служ­ бы в стекловаренных печах.

ПРИМЕНЕНИЕ В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

Кварцевая керамика рассматривается как перспек­ тивный материал для ракетной и космической техники [16]. Многочисленные составные элементы ракетных и летательных устройств со сверхзвуковой скоростью по­ лета или требуют тепловой защиты, или'должны быть изготовлены из огнеупорных или термостойких мате­

249