Огнеупорные материалы (изделия) и их огнеупорность

Для некоторых производств металлургической, энергетической, горно-перерабатывающей отраслей промышленности, научных исследований необходимы технологические комплексы, установки; лабораторные печи, аппараты, выложенные изнутри огнеупорными материалами, штучными изделиями, способным выдерживать постоянное или циклическое воздействие высокой температуры сырья, реагирующих веществ, продукции.

Нередко при возведении особо важных строительных объектов, имеющих повышенную пожарную опасность, необходимо использование несущих конструкций из огнеупорного (огнестойкого) бетона.

Назначение и свойства

В ГОСТ 28874-2004, классифицирующем все виды (типы) огнеупоров, дано определение огнеупорности, как свойству материалов выдерживать, не переходя в расплавленное состояние, воздействие высокой температуры.

ГОСТ Р 52918-2008 дает определение огнеупорам. Ими называют неметаллические материалы, которые обладают огнеупорностью не ниже 1580 ℃, используются в агрегатах и устройствах для защиты от воздействия тепловой энергии и газовых, жидких, твердых агрессивных реагентов.

К огнеупорным изделиям относятся огнеупоры, имеющие заданные геометрические формы, размеры.

В целом огнеупорами называют материалы, готовые формовые изделия, произведенные в основном из минерального сырья, что способны сохранить свои огнестойкие свойства в условиях длительной эксплуатации при очень высокой температуре среды, в том числе агрессивной; служащие защитными покрытиями различного производственного, лабораторно-опытного оборудования или несущими строительными конструкциями.

Назначение огнеупоров:

• Защита корпусов, частей установок, агрегатов, любого другого оборудования с рабочими зонами, поверхности которых внутри или снаружи подвергаются воздействию расплавленного сырья, реагирующей среды в ходе технологического процесса, готовой продукции с температурой выше 1580 ℃.
• Обеспечение длительного периода сохранения несущих свойств, геометрической неизменности форм строительных конструкций в условиях развития пожара на особо важных объектах.

Свойства огнеупорных материалов, готовых изделий, кроме основного – высокой стойкости к огню, востребованные заказчиками:

• Низкий коэффициент теплопроводности.
• Термическая стойкость к линейному/объемному расширению.
• Стойкость к различным видам агрессивных сред, включая радиационное воздействие.
• Длительный период эксплуатации.
• Невысокая стоимость.

Кроме того, на производстве востребован такой параметр, как возможность быстрой замены защитного слоя огнеупорных материалов, набора из штучных изделий в ходе плановых остановов, аварийных ремонтов промышленного оборудования с высокотемпературными рабочими зонами.

Классификация

Огнеупоры подразделяются на два основных класса – это неформованные материалы и формованные (штучные) изделия.

К неформованным огнеупорным материалам относят:

• Огнеупорные цементы.
• Бетонные смеси, торкрет-массы высокой стойкости к огню.
• Разные виды порошков для заправки металлургических печей.
• Мертели.
• Пластичные огнеупорные пасты, суспензии.

Формованные огнеупорные изделия, серийно производимые по технологиям горячего, полусухого прессования пластической формовки; литья, включая вибрационное, из расплавов, текучих масс подготовленного сырья; распилом крупных блоков, горных пород, изготавливают:

• Прямыми, клиновыми различных размеров, форматов.
• Фасонными различной сложности, массы серийного изделия.
• Специальными – промышленного или лабораторного назначения. К последним относятся тигли, кюветы, оборудование для проведения исследований в условиях высокой температуры.

Огнеупорные материалы, изделия классифицируют по таким основным параметрам:

• По физическому состоянию.
• Химическому составу.
• Огнеупорности.
• Плотности, пористости.
• Форме, размерам, весу.
• Способам формования.
• Области применения.

По огнеупорности их подразделяют на четыре группы (класса):

• Огнеупорные, выдерживающие температуру эксплуатации в диапазоне 1580-1770 ℃.
• С высокой огнеупорностью – 1770-2000 ℃.
• С высшей огнеупорностью – 2000-3000 ℃.
• Сверхогнеупорные – больше 3000 ℃.

По пористости на восемь классов – от особо плотных огнеупоров, открытая пористость которых меньше 3%, высокоплотных – 3-10%, плотных – 10-16%; до ультрапористых, где она превышает 75%.

В зависимости от формы, геометрических размеров, веса огнеупорные изделия классифицируются:

• Прямоугольными, включая огнеупорные кирпичи стандартных строительных типоразмеров.
• Фасонными различной конфигурации, включая криволинейную, формы.
• Листами, рулонами.
• Погонными изделиями – более 450 мм.
• Штучными – до 2 кг.
• Блоками – от 2 кг до 1 т.
• Крупными блоками – больше 1 т.

По физическому состоянию готовой продукции при поставке заказчикам:

• Неформованными материалами – сухими, полусухими смесями; жидкими, пластичными готовыми растворами.
• Штучными изделиями.
• Строительными огнеупорными конструкциями.

Неформованные огнеупорные материалы также квалифицируют по основным способам нанесения на защищаемые поверхности производственного оборудования, строительных конструкций:

• Напылению.
• Обмазке.
• Литью.
• Торкретированию.
• Виброуплотнению.
• Трамбовке.
• Прессованию.
• Пескометной набивке.

Существуют и другие классификации огнеупоров, основанные на способах подготовки сырья, производства неформованных материалов, изготовления штучных изделий, строительных конструкций.

Основные виды и типы

Такое деление основано на различиях в химическом составе огнеупорных неформованных материалов, готовых изделий. Общепринято при этом в названии огнеупора первым ставить преобладающий компонент:

• Кремнеземистые – эти термостойкие материалы, что более чем на 90% состоят из SiO₂. К ним относятся динасовые огнеупоры, широко применяемые для футеровки металлургических и других видов печей; кварцевое стекло, из которого изготавливается весь спектр термостойкой посуды, оборудования для лабораторий. Огнеупорность динасовых материалов – до 1730 ℃, кварцевого стекла – до 1200 ℃.
• Алюмосиликатные. Их основные компоненты – Al₂O₃, SiO₂. В зависимости от процентного содержания Al₂O₃ они бывают полукислые – 14-28%; шамотные – 28-45%; высокоглиноземистые – 45-95%. Огнеупорность высокоглиноземистых материалов – свыше 1750 ℃.
• Магнезиальные на основе MgO, при производстве проходящие обжиг в температурном диапазоне 1500-1900℃. Их огнестойкость обуславливает широкое применение в металлургической отрасли, чему также способствует высокая прочность, стойкость при контакте с движущимися расплавами металлов, шлаковых масс.
• Периклазовые – это магнезиальные огнеупорные материалы с содержанием MgO свыше 85%.
• Периклазоуглеродистые материалы изготавливаются из периклазового огнеупорного порошка с добавкой 6-25% графита с органической связкой, например, фенолом с этиленгликолем.
• Хромистые, производимые из минерала хромита с температурой плавления 2180℃. Большим преимуществом этих термостойких материалов является их инертная устойчивость как к кислым, так основным металлургическим шлакам.
• Цирконистые. Их основные компоненты – это минерал бадделеит, содержащий до 62% ZrO₂ и ZrSiO₄. Огнеупорность – 2700 ℃, отличная стойкость при контакте с расплавами металлов, высокая прочность.
• Углеродистые. Их основной компонент – это свободный углерод, соединения с его высоким содержанием. Обжиг сырья происходит при температурах от 1100 до 2000 ℃, после чего спектр их применения – это футеровка электротермических, металлургических печей (домен, мартенов), промышленных установок по выплавке цветных металлов, реакторов АЭС. Огнеупорность разновидностей углерода достигает 3500℃, а графита, его кристаллической разновидности – 3800 ℃.
• Оксидноуглеродистые – это огнеупоры, созданные на основе оксидов магния, бария, кальция, бериллия с углеводородом, обладающие высокой огнеупорностью.
• Бескислородные изготавливают из тугоплавких химических соединений – нитридов, силицидов, сульфидов, боридов, карбидов. Их применение в окислительной среде ограничено.
• Доломитовые, состоящие после обжига доломитовых горных пород из смеси оксидов магния и кальция, огнеупорные до 2300℃.

Это далеко не полный перечень видов (типов) огнеупоров, производимых также из другого сырья, с различными добавками.

Область применения

Огнеупорные неформованные материалы, штучные изделия, благодаря набору востребованных учеными, специалистами проектных, строительных организаций, производственных предприятий, применяются в различных отраслях производства, науки:

• в стекольной, цементной промышленности;
• в металлургии черных, цветных металлов;
• в энергетике;
• в авиа, ракетостроении как при создании двигателей, так и в качестве защитных сверхтермостойких покрытий;
• в атомной промышленности;
• в производственных, учебных лабораториях – муфельные печи, огнеупорная посуда.

Так, неформованные огнеупоры используют для создания, ремонта защитных покрытий – футеровок:

• Промышленных печей нагрева, обжига сырья – высокоглиноземистые смеси, шамот.
• Печей для производства кокса – обмазки.
• Ковшей для розлива стали, чугуна – магнезиальные, кремнеземные, высокоглиноземистые, массы.
• Электроиндукционных печей – периклазовые, корундовые торкрет-массы.
• Мартенов, дуговых печей – огнеупорные металлургические порошки.

Формованные огнеупоры, в виде различных по форме, толщине, размерам штучных изделий, используют следующим образом:

• Для выкладки подовых оснований, возведения стойких к высокой температуре стен, сводов, других элементов металлургических печей, конвертеров по выплавке черных, цветных сплавов, котлов ТЭЦ.
• Для создания надежной футеровки реакторов АЭС.
• Для защиты нагреваемых до сверхвысоких температур рабочих поверхностей двигателей самолетов, ракет.

При использовании штучных изделий в ходе выполнения защитных покрытий, возведения футеровочных кладок различного по назначению оборудования швы между ними тщательно, по всему объему заполняют неформованными огнеупорными материалами, обеспечивая целостность, а после первичного обжига в процессе эксплуатации – монолитности защитного слоя.

Кроме того, неформованные огнеупоры наносят сплошным слоем на кладки из штучных изделий, повышая толщину, следовательно, теплоизоляцию, огнестойкость такого «пирога»; а также на несущий конструктив зданий, сооружений, выполненный из металла, обеспечивая надежную, многочасовую огнезащиту металлических конструкций; а также заводских, монолитных конструкций из железобетона на особо важных пожароопасных объектах защиты.

Производство

ГОСТ Р 52918-2008 определяет сырье для производства огнеупоров как горные породы, имеющие огнеупорность не меньше 1580 ℃, допуская также утилизацию огнеупоров возвращением бракованных изделий, неформованных материалов, отходов производства, эксплуатации в технологический процесс.

Однако, на практике в рецептурный состав исходного сырья входят не только изначально огнеупорные материалы, но и другие компоненты, способные создавать устойчивые связи, требуемую молекулярную структуру готовой продукции, а также пластификаторы.

Тем не менее основным сырьем для производства огнеупоров служат горные породы, в составе которых:

• Простые, сложные оксиды – SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZrO₂, MgOSiO₂.
• Бескислородные соединения – силициды, карбиды, нитриды, бориды, графит.
• Оксинитриды, оксикарбиды.

Для серийного производства огнеупорных материалов используют разнообразные технологические процессы, основным из которых является традиционный алгоритм, состоящий из следующих этапов:

• Измельчения компонентов сырья.
• Их предварительной тепловой обработки.
• Приготовления шихты с добавками различных пластифицирующих, модифицирующих добавок.
• Формования штучных изделий литьем, прессованием, экструзией с допрессовкой; неформованных материалов – без этой технологической стадии.
• Обжига в туннельных, газокамерных печах.
• Складирования, упаковки.

Часть формованных огнеупоров получают распиливанием крупных блоков готовой продукции, а также из огнеупорных горных пород.