В материаловедении огнеупор (или огнеупорный материал) — это материал, устойчивый к разложению под воздействием тепла или химического воздействия, который сохраняет свою прочность и жесткость при высоких температурах. Это неорганические, неметаллические соединения, которые могут быть пористыми или непористыми, и их кристалличность сильно различается: они могут быть кристаллическими, поликристаллическими, аморфными или композитными. Они обычно состоят из оксидов, карбидов или нитридов следующих элементов: кремния, алюминия, магния, кальция, бора, хрома и циркония. Многие огнеупоры являются керамикой, но некоторые, такие как графит, таковыми не являются, а некоторые виды керамики, такие как глиняная посуда, не считаются огнеупорными. Огнеупоры отличаются от тугоплавких металлов, которые являются элементарными металлами и их сплавами, имеющими высокие температуры плавления.
Огнеупоры определяются ASTM C71 как «неметаллические материалы, имеющие те химические и физические свойства, которые делают их применимыми для конструкций или в качестве компонентов систем, которые подвергаются воздействию сред выше 1000 °F (811 K; 538 °C)». Огнеупорные материалы используются в печах, обжиговых печах, мусоросжигательных печах и реакторах. Огнеупоры также используются для изготовления тиглей и форм для литья стекла и металлов. Металлургическая промышленность и секторы литья металлов используют около 70% всех производимых огнеупоров.
Огнеупорные материалы
Огнеупорные материалы должны быть химически и физически стабильны при высоких температурах. В зависимости от условий эксплуатации они должны быть устойчивы к тепловому удару, быть химически инертными и/или иметь определенные диапазоны теплопроводности и коэффициента теплового расширения.
Оксиды алюминия (глинозем), кремния (кремнезем) и магния (магнезия) являются наиболее важными материалами, используемыми в производстве огнеупоров. Другой оксид, обычно встречающийся в огнеупорах, — это оксид кальция (известь). Огнеупорные глины также широко используются в производстве огнеупоров.
Огнеупоры должны выбираться в соответствии с условиями, с которыми они сталкиваются. Для некоторых применений требуются специальные огнеупорные материалы. Цирконий используется, когда материал должен выдерживать чрезвычайно высокие температуры. Карбид кремния и углерод (графит) — два других огнеупорных материала, которые используются в некоторых очень суровых температурных условиях, но их нельзя использовать в контакте с кислородом, так как они окисляются и горят.
Бинарные соединения, такие как карбид вольфрама или нитрид бора, могут быть очень тугоплавкими. Карбид гафния является наиболее тугоплавким из известных бинарных соединений с температурой плавления 3890 °C. Тройное соединение карбид тантала и гафния имеет одну из самых высоких температур плавления среди всех известных соединений (4215 °C).
Дисилицид молибдена имеет высокую температуру плавления 2030 °C и часто используется в качестве нагревательного элемента.
Использует
Огнеупорные материалы полезны для следующих функций:
Огнеупоры имеют множество полезных применений. В металлургической промышленности огнеупоры используются для футеровки печей, обжиговых печей, реакторов и других сосудов, которые удерживают и транспортируют горячие среды, такие как металл и шлак. Огнеупоры имеют и другие высокотемпературные применения, такие как пламенные нагреватели, водородные риформеры, первичные и вторичные риформеры аммиака, крекинг-печи, коммунальные котлы, установки каталитического крекинга, воздухонагреватели и серные печи. Они используются для покрытия дефлекторов пламени в конструкциях для запуска ракет.
Классификация огнеупорных материалов
Огнеупоры классифицируются несколькими способами, в зависимости от:
Химический состав
Кислотные огнеупоры
Кислотные огнеупоры, как правило, непроницаемы для кислотных материалов, но легко подвергаются воздействию основных материалов, и поэтому используются с кислотным шлаком в кислых средах. Они включают такие вещества, как кремнезем, глинозем и огнеупорные кирпичи из шамота. Известными реагентами, которые могут воздействовать как на глинозем, так и на кремнезем, являются плавиковая кислота, фосфорная кислота и фторированные газы (например, HF, F2). При высоких температурах кислотные огнеупоры могут также реагировать с известью и основными оксидами.
Основные огнеупоры
Основные огнеупоры используются в областях, где шлаки и атмосфера являются основными. Они устойчивы к щелочным материалам, но могут реагировать с кислотами, что важно, например, при удалении фосфора из чугуна (см. процесс Гилкриста–Томаса). Основное сырье относится к группе RO, распространенным примером которой является магнезия (MgO). Другие примеры включают доломит и хроммагнезию. В первой половине двадцатого века в процессе производства стали в качестве материала футеровки печи использовался искусственный периклаз (обожженный магнезит).
Нейтральные огнеупоры
Они используются в областях, где шлаки и атмосфера являются либо кислыми, либо основными и химически устойчивы как к кислотам, так и к основаниям. Основное сырье относится к группе R2O3, но не ограничивается ею. Распространенными примерами этих материалов являются глинозем (Al2O3), хром (Cr2O3) и углерод.
Метод изготовления
Размер и форма
Огнеупорные изделия изготавливаются стандартных и специальных форм. Стандартные формы имеют размеры, которые соответствуют соглашениям, используемым производителями огнеупоров, и, как правило, применимы к печам или горнам тех же типов. Стандартные формы обычно представляют собой кирпичи, которые имеют стандартный размер 9 дюймов × 4,5 дюймов × 2,5 дюйма (229 мм × 114 мм × 64 мм), и этот размер называется «эквивалентом одного кирпича». «Эквиваленты кирпича» используются для оценки того, сколько огнеупорных кирпичей требуется для установки в промышленную печь. Существуют ряды стандартных форм различных размеров, изготовленных для изготовления стен, крыш, арок, труб и круглых отверстий и т. д. Специальные формы специально изготавливаются для определенных мест внутри печей и для конкретных печей или печей. Специальные формы обычно менее плотные и, следовательно, менее износостойкие, чем стандартные формы.
Неформованный (монолитный)
Они не имеют предписанной формы и форму им придают только при нанесении. Эти типы известны как монолитные огнеупоры. Распространенными примерами являются пластичные массы, набивные массы, литые массы, торкрет-массы, футеровочные смеси и растворы.
Сухие вибрационные футеровки, часто используемые в футеровках индукционных печей, также являются монолитными и продаются и транспортируются в виде сухого порошка, обычно с магнезиально-глиноземным составом с добавлением других химикатов для изменения определенных свойств. Они также находят все большее применение в футеровках доменных печей, хотя это использование все еще редко.
Температура плавления
Огнеупорные материалы классифицируются на три типа в зависимости от температуры плавления.
Огнеупорность
Огнеупорность — это свойство многофазного огнеупора достигать определенной степени размягчения при высокой температуре без нагрузки, измеряется с помощью пирометрического конусного эквивалентного теста (PCE). Огнеупоры классифицируются как:
Теплопроводность
Огнеупоры можно классифицировать по теплопроводности как проводящие, непроводящие или изолирующие. Примерами проводящих огнеупоров являются карбид кремния (SiC) и карбид циркония (ZrC), тогда как примерами непроводящих огнеупоров являются кремний и глинозем. Изоляционные огнеупоры включают материалы на основе силиката кальция, каолин и цирконий.
Теплоизоляционные огнеупоры используются для снижения скорости потери тепла через стенки печи. Эти огнеупоры имеют низкую теплопроводность из-за высокой степени пористости, с желаемой пористой структурой небольших, однородных пор, равномерно распределенных по всему огнеупорному кирпичу, чтобы минимизировать теплопроводность. Теплоизоляционные огнеупоры можно далее классифицировать на четыре типа: