1.3. Материалы, применяемые в электропечестроении

При изготовлении электротермических установок (ЭТУ) применяются материалы, предназначенные для работы при высоких температурах. В их числе огнеупорные и теплоизоляционные материалы для теплоизоляции нагреваемых тел от окружающей среды и жаропрочные материалы, идущие на изготовление нагревателей и элементов конструкций печей.

Огнеупорные материалы – материалы, используемые для сооружения различных печей и аппаратов, работающих в условиях высокотемпературного (выше 1200 К) нагрева.

По специфическим условиям работы они должны удовлетворять следующим требованиям.

1. Огнеупорность – это способность без деформации и оплавления противостоять воздействию высоких температур. В зависимости от степени огнеупорности их подразделяют на три класса: огнеупорные (огнеупорностью 1580-1770 К); высокоогнеупорные (1770-2000 К включительно); высшей огнеупорности (выше 2000 К).

Материалы с огнеупорностью ниже 1580 К называют теплоизоляционными.

2. Механическая прочность. При высоких температурах она имеет важное значение, поскольку огнеупорные материалы в процессе работы подвергаются воздействию значительных механических нагрузок в условиях высоких температур. Механическая прочность огнеупоров определяет верхний температурный предел их применения. Максимальной рабочей температурой огнеупорного материала принята температура, при которой начинается деформация материала от сжимающей нагрузки 20 кПа.

3. Термическая устойчивость – это способность материала без разрушения выдерживать резкие колебания температуры. Выгрузка из печи нагретого и последующая загрузка холодного материала создают в печах резкие колебания температуры, которые приводят к термическим напряжениям, способным разрушить огнеупорный материал.

4. Химическая нейтральность. По отношению к нагреваемому материалу и внутренней кладке печи огнеупорные материалы должны быть химически нейтральны, чтобы не засорять нагреваемую продукцию и не разрушаться ею путем химической эрозии.

5. Малая электропроводность. Огнеупорный материал в электрических печах часто одновременно является и электроизоляционным материалом. На нем монтируются электронагревательные элементы, он является тепло - и электроизолятором ванны печи от корпуса. По этой причине огнеупорный материал должен обладать хорошими электроизоляционными свойствами в условиях рабочих температур.

6. Малая теплопроводность. Она способствует снижению тепловых потерь через стенки электрической печи без чрезмерного увеличения их толщины.

Наиболее полно изложенным требованиям удовлетворяют огнеупорные материалы, изготовляемые на основе кремнезема (2000 К), глинозема (2300 К), оксида магния (2600 К).

Массовыми огнеупорами для электроплавильных печей являются динас (2000 К), магнезит (2570 К), хромомагнезит, доломит и шамот (2000 К).

Для печей сопротивления основным огнеупорным материалом является шамот, представляющий собой глубоко обожженную огнеупорную глину. Высокотемпературные печи футеруют изнутри в основном высокоглиноземистыми материалами – муллитом, алундом, а также углем и графитом.

Для выплавки тугоплавких металлов и сплавов применяются высококачественные и относительно дорогостоящие огнеупорные материалы – диоксид циркония (температура плавления 2800 К), оксид бериллия (2870 К), диоксид тория (3300 К) и др.

В практике нашли применение искусственные высокотемпературные волокна, теплопроводность которых в 2 раза ниже, чем материалов с ячеистой структурой.

Теплоизоляционные материалы. Обладают малой теплопроводностью при достаточной огнеупорности. Поэтому теплоизоляционные материалы – это, как правило, рыхлые легкие массы, сильно пористые изделия или крупнозернистые порошки.

Наибольшее распространение в качестве теплоизоляционных материалов получили диатомит, шлаковые и минеральные ваты, пеностекло, зонолит, а также комбинированные материалы на основе асбеста.

Диатомит – осадочная горная порода; по химическому составу – кремнезем, используется в виде насыпной изоляции.

Шлаковые и минеральные ваты получают из топочных и доменных шлаков, а также из различных пустых пород путем расплавления их в печах и последующего распыления струи расплава сжатым воздухом или паром.

Пеностекло получают путем добавления в расплав стекла газообразующих веществ. Полученные изделия из пеностекла обладают хорошо развитой пористостью и большой механической прочностью, максимальная рабочая температура 900-1000 К.

Зонолит – легкая чешуйчатая масса, получаемая из низкосортной слюды путем обжига. Применяется в виде засыпки (до 1400 К).

Асбест – волокнистый материал, с максимальной рабочей температурой 900 К. В чистом виде применяется в качестве засыпки. Обычно служит армирующим веществом для создания композиционных материалов (асбокартон, асбошнур и т. п.).

Жаропрочные материалы. Жаропрочность – свойство материала сохранять высокую механическую прочность при высоких температурах. Жароупорность – устойчивость к химическим реакциям при высоких температурах.

Основные жаропрочные материалы – сплавы железа со специальными легирующими добавками хрома, алюминия, никеля.

Увеличение содержания хрома до 30 % позволяет применять детали при температурах до 1300-1400 К.

Увеличение процентного содержания никеля в сплаве улучшает его обрабатываемость, повышает механическую прочность. Хромоникелевые стали используют для изготовления механически нагруженных конструкций и деталей (конвейерные ленты, направляющие толкательных печей и т. п.).

Для высокотемпературных электропечей в качестве жароупорных материалов применяют молибден, ниобий, вольфрам (работающие в защитных газах – аргоне, азоте, водороде), высокоогнеупорную керамику, карбиды и бориды некоторых материалов.