Чем оценивается термостойкость огнеупоров

Свойства огнеупоров

Важнейшим свойством является огнеупорность т.е. способность выдерживать без нагрузки воздействие высоких температур (более 1580 o С) не расплавляясь.

Определяется она путем сравнения поведения испытуемого и стандартного образцов при нагревании по определенному скоростному режиму. Образцы эти имеют форму усеченной пирамиды с основаниями в виде равносторонних треугольников со сторонами 2 и 8 мм высотой 30 мм. Одна из граней пирамиды расположена перпендикулярно основаниям. Образцы эти называются пироскопами. При нагревании пироскопы теряют форму, наклоняются. Момент касания верхушки пирамиды подложки определяет огнеупорность изделия испытуемого состава, если и стандартный образец ведет себя аналогичным образом.

Пористость огнеупоров. Поры могут быть открытыми и закрытыми. Различают общую, кажущуюся и закрытую пористость. Общая пористость определяется как отношение объема всех пор к объему изделия. Кажущаяся пористость – как отношение открытых пор к объему изделия. Закрытая пористость – как отношение объема закрытых пор к объему изделия.

Учитывая, что от пористости зависят многие свойства огнеупоров, установлено 8 групп пористости.

Пористость некоторых огнеупорных изделий имеет такие значения (%):

Температура деформации под нагрузкой определяется под нагрузкой 0,2 МПа. При этом отмечают температуру начала деформации (размягчения), 4 % и 40 % сжатие образца высотой 50 мм и диаметром 36 мм. Деформация под нагрузкой при высоких температурах определяется количеством образующейся жидкой фазы и ее распределением в образце. Температура 4 % деформации является по существу предельной температурой службы огнеупора, а 40 % деформации – температурой разрушения образца.

Таблица 1 Деформационные свойства огнеупоров

В реальных условиях действительные нагрузки на огнеупор колеблются в пределах от нескольких до 30 МПа и никогда не превышают 80 МПа.

Термостойкость – это способность огнеупоров выдерживать без разрушения резкие колебания температуры.

Термостойкость характеризуется числом теплосмен, т.е. циклов нагрева и охлаждения. Различают водяные и воздушные теплосмены.

При водяных теплосменах образец (кирпич 230x113x65 мм) нагревают до 1300 o С, выдерживают его 10 мин при этой температуре, а затем охлаждают в проточной воде (5-25 o С) в течение 5 мин. Эти циклы (теплосмены) продолжают до тех пор, пока образец не потеряет 20 % первоначальной массы. Большое влияние на термостойкость оказывает химико-минералогический состав и зерновой состав огнеупора.

Термостойкость Тс₁₃₀₀ – вода некоторых огнеупоров равна: динасовых – 1-2; шамотных – 10-25; высокоглиноземистых – 15-20; периклазовых – 1-2; периклазохромитовых – 5-20.

При воздушных теплосменах кирпич нагреваю до 800 o С и охлаждают в потоке компрессорного воздуха до потери 20 % массы. В настоящее время этот метод не используется.

Химическая стойкость. До 70 % огнеупоров разрушается в результате взаимодействия со шлаком, металлом и газами. Наиболее сильное разрушающее воздействие оказывают шлаки. Разрушающее действие шлака носит сложный характер и оценить шлакоустойчивость огнеупора одим показателем сложно. Здесь сказывается состав огнеупора, его пористость, температура взаимодействия, гидродинамические условия.

Как правило, основные огнеупоры хорошо противостоять основным шлакам. Кислые—кислым. Нейтральные – примерно одинаково противостоят и кислым, и основным шлакам.

Стандартной методики определения шлакоустойчивости нет. В лабораторных условиях она определяется тигельным способом. Изготавливается тигель из исследуемого огнеупора и заполняется шлаком известного состава. Заполненный тигель помещают в печь и выдерживают при температуре 1500 o С в течение 3 4 часов. Шлакоустойчивость определяется по величине разрушения образца. Качественно процессы химического взаимодействия огнеупоров с расплавами описываются следующими правилами: химических состав огнеупора и особенно ее связка должны соответствовать основности шлака. Динасовые и алюмосиликатные огнеупоры образуют с FeO наиболее легкоплавкие расплавы; периклазовые обладают минимальной растворимостью, оксид кальция с динасовыми и алюмосиликатными огнеупорами образует легкоплавкие соединения, а с MgO высокоогнеупорные составы. По этой причине MgO и CaO находят широкое применение для футеровки мартеновских печей и кислородных конвертеров.

Постоянство объема. Сохранение постоянного объема – важная характеристика огнеупоров, потому что в этом случае в кладке не возникает дополнительных напряжений. Это особенно важно для сводов и арок. В действительности все огнеупоры во время службы в тепловых устройствах испытывают рост или усадку вследствие усадки материала или термического расширения.

Дополнительную усадку или рост определяют по разности объемов образца, измеренных до и после обжига при заданной температуре по формуле:

где V₀ и V₁ – объемы образца до и после обжига.

Линейную усадку или рост определяют по формуле:

Дополнительная усадка или рост не должны превышать в условиях службы 0,5-1,0 %.

Температурный коэффициент линейного расширения для разных огнеупоров в интервале температур 20-1000 o С имеет такие значения:

Зная величину , можно рассчитать величину температурного шва кладки в миллиметрах на 1 м по формуле:

Например, для периклазовой кладки:

Принята температура кладки 1800 o С.

Кроме перечисленных свойств практическое значение имеют теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, газовая проницаемость, аккумулирующая способность огнеупоров и др.

Теплоемкость всех твердых тел, по закону Дюлонга-Пти, примерно одинакова – 25,116 Дж/г ат*К. Теплоемкость огнеупоров оценивается по теплоемкости ведущих оксидов: MgO, Al₂O₃, SiO₂, CaO, удельная теплоемкость которых соответственно равна: 37,920; 70,101; 44,496; 50,447 кДж/моль К. Огнеупоры имеют теплоемкость 0,04-0,96 кДж/кг*К.

Теплопроводность огнеупорных материалов зависит от составляющих фаз и характера их структуры и определяется той фазой, которая является сплошной средой. В общем случае она определяется формулой (Вт/м*К):

Аккумулирующая способность огнеупоров характеризует способность материала принимать при нагреве и отдавать при охлаждении теплоту. Она выражается формулой (Втxс 0,5 /м 2 xК):

Эта величина имеет большое значение при выборе огнеупоров, работающих в периодических условиях: футеровка печей, насадка регенератора и т.п.

Характеристика теплофизических свойств некоторых огнеупоров приведена в табл. 2.

Таблица 2 Теплофизические свойства огнеупоров при температурах 20, 500, 1000 o С

Источник:
«Огнеупоры и их эксплуатация»
Дюдкин Д.А., Ухин В.Е.

Источник

Теплотехнические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов

Огнеупорность определяется как температура Т огн, при которой происходит деформация стандартного образца в форме усеченной пирамиды при отсутствии механического и физико-химического воздействия. Огнеупорные изделия подразделяют на три группы: средней огнеупорности (огнеупорные) – Т огн до 1770 °С; высокой огнеупорности (высокоогнеупорные) Т огн от 1770 °С до 2000 °С, высшей огнеупорности – Т огн – выше 2000 °С. Предельная рабочая температура службы огнеупоров в условиях эксплуатации Tmax значительно ниже, чем Т огн.

В таблице 1 приведены свойства наиболее широко используемых печных огнеупоров. Все огнеупоры характеризуются такими важными эксплуатационными показателями, как термостойкость, шлакоустойчивость, строительная прочность, изменение объема при нагреве, которые определяют их применение для строительства элементов печей.
Термостойкостью называют способность огнеупоров выдерживать циклическое изменение температур при нагреве и охлаждении, так называемые теплосмены. Термостойкость характеризуют числом теплосмен до потери 20% первоначальной массы огнеупора в результате образования трещин и скалывания.
Шлакоустойчивость характеризует способность огнеупора выдерживать воздействие жидкого шлака и металла, окалины, газов.

Динас содержит более 93% SiO2 и относится к кремнеземистым, кислым огнеупорам. Обладает высокой строительной прочностью, высокой температурой начала деформации под нагрузкой и соответственно рабочей температурой службы 1650–1700 °С. Устойчив к воздействию кислых расплавов и газовых сред, но не выдерживает контакта с основными расплавами металлов и их оксидов. Термостойкость динаса по стандартной методике не превышает 1-2 водяных теплосмен. Однако, если колебания температуры происходят в области значений выше 300 °С и особенно выше 600 °С, то термостойкость динаса исключительно высока.
Динас широко применяют для изготовления высокотемпературной части насадки доменных воздухонагревателей и регенераторов нагревательных колодцев, которая не охлаждается ниже 600 °С, для кладки распорных сводов.

Таблица 1 – Свойства огнеупоров, наиболее широко используемых в печах

Главные хим. компоненты в % (мас.)

Коэф. теплопроводности – l, Вт/(м×К) при 100 °С

Уд. теплоемкость – с, кДж/(кг×К) при 100 °С

Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% Al2O3. Обладает более высокой термостойкостью (10-20 водяных теплосмен), но низкой шлакоустойчивостью. Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 °С для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки. Не выдерживает истирающего действия при высоких температурах.

Муллит и корунд относятся к высокоглиноземистым алюмосиликатным огнеупорам. По мере увеличения содержания Al2O3 повышается их рабочая температура службы, прочность и постоянство объема при разогреве. Термостойкость превышает 150 водяных теплосмен. Применяются вместо шамота в условиях более высоких температур: муллит – до 1650 °С, корунд – до 1800 °С. Плавленые корундовые изделия обладают высокой шлакоустойчивостью и выдерживают давление и истирающее действие металла и шихты. Применяются в установках внепечной обработки стали, в монолитных подинах методических нагревательных печей, в качестве насадки шариковых регенераторов.
Периклаз (или магнезит) содержит не менее 85% MgO. Температура начала размягчения под нагрузкой значительно ниже огнеупорности. Максимальная рабочая температура 1700 °С. Термостойкость изделий невысока и составляет 1-2 водяных теплосмены.
Шлакоустойчивость по отношению. к основным расплавам – металлам и шлакам, богатым оксидами металлов и известью, исключительно высока. Поэтому магнезитовые кирпичи используются для кладки элементов печей черной и цветной металлургии, которые контактируют с расплавами металлов и основных шлаков. Магнезитовый порошок используют для заполнения швов при кладке подин плавильных печей.
Периклазохромитовые и хромитопериклазовые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и хромит Cr2O3. Свойства этих огнеупоров существенно отличаются от периклазовых и зависят от соотношения хромита и магнезита. Максимальная термостойкость соответствует отношению Cr2O3:MgO = 30:70. Шлакоустойчивость выше при содержании хромита 20 %. В сводах сталеплавильных печей наибольшую стойкость имеют изделия с содержанием хромита 20-30 %. Они изнашиваются из-за образования трещин и сколов, к которым приводят термические напряжения, возникающие при колебании температуры в рабочем пространстве печи.
Смолодоломитовые безобжиговые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и СаО, а также углерод в виде смоляной связки в количестве 2-4 %. Они применяются для футеровки конвертеров. Известь СаО взаимодействует с силикатами конвертерного шлака, благодаря чему на поверхности футеровки образуется гарниссаж, препятствующий проникновению шлака в футеровку.
Углеродистые огнеупоры изготавливаются из доступного сырья – графита, кокса – с высокой температурой плавления ³ 3500 °С. Они не смачиваются расплавами и поэтому устойчивы против них, имеют высокую термостойкость, но начинают окисляться в продуктах горения топлива при температуре ³ 600 °С. Поэтому их используют для службы в восстановительной среде: в электрических печах для производства ферросплавов, алюминия, свинца, в лещади доменных печей, в качестве припаса для разливки металлов, для изготовления электродов дуговых плавильных печей.
Карбидкремниевые огнеупоры содержат в качестве главного компонента SiC – карборунд. Они покрыты защитной плёнкой SiO2, поэтому не окисляются как углеродистые. Имеют высокую прочность, износоустойчивость, термостойкость. Устойчивы против нейтральных и кислых расплавов, нестойки против основных. Применяются для изготовления трубок керамических рекуператоров, огнеупорных муфелей.
Неформованные огнеупоры применяют для изготовления монолитных футеровок из огнеупорного бетона и набивных масс. Огнеупорный бетон представляет собой смесь огнеупорного наполнителя (бой огнеупорных изделий) с размером частиц от 0,5 до 70 мм, вяжущего и добавок. В качестве вяжущего используют твердеющие в холодном состоянии огнеупорные цементы (глиноземистый, магнезиальный), жидкое стекло, фосфатные связки на основе ортофосфорной кислоты Н3РО4. Добавки могут регулировать скорость схватывания и твердения, улучшать пластические свойства, уменьшать усадку.
Широко распространены динасовые бетонные блоки и панели для стен нагревательных колодцев, глинистокварцитовые массы для набивной футеровки ковшей. Применяют монолитную футеровку стен и сводов нагревательных печей из жидкого (литого) бетона с креплением её к металлическому каркасу печи с помощью анкерных кирпичей, распределенных по площади стен и свода.
Защитные гарниссажи образуются на рабочей поверхности ограждения плавильных, шахтных и дуговых печей из спекающихся или расплавленных материалов при интенсивном охлаждении стен печи водой или воздухом. В плавильных печах цветной металлургии гарниссаж является эффективным средством защиты, а иногда и замены футеровки.

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для тепловой изоляции металлургических печей применяются три вида изделий: 1) легковесные пористые огнеупорные кирпичи: шамот-легковес, динас-легковес, диатомитовый и другие; 2) теплоизоляционные засыпки; 3) изделия в виде плит, ваты, войлока, картона, изготовленные на основе керамического волокна в смеси со связующим материалом, так называемые волокнистые огнеупоры. Волокнистые огнеупоры являются относительно новыми теплоизоляционными материалами.

Легковесные огнеупорные кирпичи обладают большой пористостью и поэтому меньшей плотностью и теплопроводностью, чем обычные огнеупорные кирпичи (табл. 2). Марка кирпича в табл. 2 расшифровывается так: Д – динас, Ш – шамот, Л – легковес, числа после тире означают плотность. Чем меньше плотность кирпича, тем лучше его теплоизоляционные свойства, но ниже максимальная рабочая температура.
По сравнению с обычными огнеупорами шамот-легковес и другие легковесы имеют более низкую прочность, шлакоустойчивость и термостойкость. Их можно применять не только для теплоизоляционного слоя футеровки, но и для рабочего слоя, в термических печах. Диатомитовый кирпич применяют только для наружного слоя тепловой изоляции стен и свода нагревательных печей.

Таблица 2 – Свойства легковесных огнеупорных изделий

Тип и марка изделия

Коэф. теплопроводности – l, Вт/(м×К)

Уд. теплоемкость – с, кДж/(кг×К) в интервале 0‑1400 °С

Источник

Чем оценивается термостойкость огнеупоров

Общие требования к методам определения термической стойкости

Refractory products. Basic requirements for methods of thermal shock resistance determination

Дата введения 2019-04-01

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью «Научно-технический центр «Огнеупоры» (ООО «НТЦ «Огнеупоры»)

2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 28 сентября 2018 г. N 112-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Минэкономики Республики Армения

Госстандарт Республики Беларусь

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 ноября 2018 г. N 977-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 7875.0-2018 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 апреля 2019 г.

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты«, а текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты«. В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты«. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает общие требования к методам определения термической стойкости огнеупорных изделий.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие межгосударственные стандарты:

ГОСТ 12.1.019-79 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты

В Российской Федерации действует ГОСТ Р 12.1.019-2009 «Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты».

ГОСТ 12.2.007.9-93 (МЭК 519-1-84) Безопасность электротермического оборудования. Часть 1. Общие требования

ГОСТ 12.4.021-75 Система стандартов безопасности труда. Системы вентиляционные. Общие требования

ГОСТ 12.4.253-2013 (EN 166:2002) Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты глаз. Общие технические требования

ГОСТ OIML R 76-1-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания

ГОСТ 166-89 (ИСО 3599-76) Штангенциркули. Технические условия

ГОСТ 427-75 Линейки измерительные металлические. Технические условия

ГОСТ 8179-98 (ИСО 5022-79) Изделия огнеупорные. Отбор образцов и приемочные испытания

ГОСТ 24104-2001 Весы лабораторные. Общие технические требования

В Российской Федерации действует ГОСТ Р 53228-2008 «Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания».

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 термическая стойкость огнеупоров (термостойкость): Сопротивляемость разрушению, происходящему в результате резкой смены температур, при поочередном нагреве и охлаждении.

3.2 теплосмена: Цикл, состоящий из нагревания испытуемого образца до заданной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения в заданных условиях.

4 Требования безопасности

4.1 Требования безопасности к электропечи, применяемой для испытания, должны соответствовать ГОСТ 12.2.007.9.

4.2 Эксплуатация электроустановок и электроприборов должна осуществляться в соответствии с ГОСТ 12.1.019 и правилами технической эксплуатации и техники безопасности электроустановок потребителей.

4.3 Помещение для проведения испытания должно быть оборудовано вентиляцией в соответствии с ГОСТ 12.4.021.

4.4 При проведении испытания должны применяться индивидуальные средства защиты: защитные очки по ГОСТ 12.4.253 или защитный щиток с соответствующим светофильтром, спецодежда, термозащитные перчатки и т.п.

5 Сущность метода

Термостойкость огнеупоров определяют последовательным нагреванием и охлаждением образцов в воде или воздухом. Термостойкость выражают числом теплосмен до разрушения образца.

6 Средства измерений, аппаратура и материалы

6.1 Печь электрическая для нагрева образцов, обеспечивающая поддержание температуры нагрева до 1300°С с пределами допустимого отклонения ±20°С.

Рекомендуемая схема расположения образцов и термоэлектрического преобразователя в печи приведена в приложении А (рисунки 1-5).

Допускается применять большее число нагревателей меньшего диаметра при условии сохранения площади излучающей поверхности и мощности печи.

Рабочее пространство печи рассчитано на одновременное испытание 3-6 образцов.

6.2 Устройство, регулирующее поддержание температуры рабочего пространства печи во время выдержки в ней образцов в пределах ±20°С.

6.3 Шкаф сушильный, обеспечивающий поддержание заданной температуры (110°С-300°С) с пределами допустимого отклонения ±5°С.

6.4 Преобразователь термоэлектрический для измерения температуры до 1300°С с измерительным прибором 1-го или более высокого класса точности. Преобразователь устанавливают в печь в защитном чехле.

6.5 Весы для статического взвешивания по ГОСТ 24104 или по ГОСТ OIML R 76-1.

6.6 Секундомер или другой прибор для измерения времени с ценой деления не более 1 минуты (механические, электрические часы и др.).

6.7 Бачок металлический для охлаждения образцов проточной холодной водой.

6.8 Штангенциркуль по ГОСТ 166.

6.9 Линейка металлическая по ГОСТ 427 с ценой деления шкалы 1 мм, рулетка по ГОСТ 7502 или соответствующий шаблон (для образцов кубической формы).

6.10 Щипцы металлические с захватами.

7 Образцы для испытаний

7.2 Образцы, на поверхности которых обнаружены трещины, пустоты или раковины размером более 5 мм, не испытывают, а заменяют другими из той же выборки.

7.3 Перед испытанием образцы высушивают при температуре от 110°С до 300°С до постоянной массы.

Изделия, хранившиеся после обжига в помещении, не сушат.

7.4 Маркировку наносят на одну из граней образца, являющейся поверхностью изделия, или на один из торцов образца контрастным красящим материалом, сохраняющим четкость маркировки после испытания.

Приложение А

Схема расположения образцов и термоэлектрического преобразователя в печи

Источник