Byli to nezaslouženě zapomenutí hrdinové průmyslového boomu. Žáruvzdorné materiály vydrží, i když teploty překračují limity povolené pro konvenční ocel nebo beton. Tato keramika s vysokým bodem tání nejenže odolává teplu; zachovávají si svou strukturální integritu tím, že fungují jako štít pro vnitřní zařízení při zachování strukturální integrity.
Bez nich by se zastavil hutní, sklářský a keramický průmysl. Není možné tavit ocel nebo sklo bez obložení, které se samo netaví.
Tyto materiály se skládají převážně z keramiky. Zhotovují se z nich cihly, vyzdívky a monolitické formy pro obložení vnitřních povrchů pecí, sušáren a dalších vysokoteplotních technologických zařízení. Samotný termín pochází z francouzského slova réfractaire, které doslova znamená „vysoký bod tání“. Toto je jednoduché vysvětlení složitého problému.
Proč se neroztaví nebo neprasknou?
Keramika má silné primární chemické vazby. To z nich dělá vzácnou kombinaci vysokého bodu tání a chemické inertnosti. Prostředí v hutnictví a sklářské výrobě je drsné. Pece jsou vystaveny korozivním taveninám a plynům, které zničí slabší materiály během několika sekund.
Teplo ale není jediným nepřítelem. Opotřebení je konstantní. A náhle dojde k tepelnému šoku.
K tepelnému šoku dochází, když se předmět rychle ochladí z vysoké teploty. Povrchová vrstva se smršťuje, zatímco vnitřní vrstva zůstává horká. To vytváří tahové napětí. Tvoří se praskliny. Praskliny se šíří. Materiál selže.
Keramika je křehká, to ano. Inženýři ale našli způsob, jak takové nárazy vydržet. Dělají to manipulací s mikrostrukturou během výrobního procesu.
Dávejte pozor na texturu. Většina keramických žáruvzdorných materiálů je drsná. Porovnejte je s porcelánem nebo dokonce běžnými cihlami. Částice náplně v žáruvzdorných materiálech jsou spíše milimetrové než mikronové. Jsou drsné. A jsou porézní. Materiál obsahuje velké množství vzduchových mezer.
Proč zvát vzduch do pevné struktury?
Velké částice a póry matné praskliny. Když napěťová vlna narazí na pór, zastaví se. to neplatí. To snižuje citlivost na teplotní šok. Při poklesu teploty pórovitost brání štípání cihly.
Pórovitost je však kompromisem. Pokud se žáruvzdorný materiál dostane do kontaktu s korozivními látkami (např. ve sklářských pecích), vzduchové prostory se stávají nebezpečnými. Korozivní materiály pronikají a ničí strukturu zevnitř. V takových případech výrobci zvyšují hustotu. Zmenšují póry. Obětují určitou odolnost vůči teplotním šokům pro chemickou odolnost.
co je lepší? Záleží na úkolu.
Chemie tepelné odolnosti
Ne všechny žáruvzdorné materiály jsou si rovné. Jejich složení a zpracování se velmi liší v závislosti na aplikaci. Obecně je rozdělujeme do dvou širokých kategorií: na bázi hlíny a bez hlíny.
Podíváme se také na jejich chemickou podstatu. Jsou kyselé nebo zásadité?
Kyselé žáruvzdorné materiály obsahují oxid křemičitý ($SiO_2$) nebo oxid zirkoničitý ($ZrO_2$). Základní žáruvzdorné materiály zahrnují oxid hlinitý ($Al_2O_3$) a oxidy kovů alkalických zemin, jako je vápno ($CaO$) a oxid hořečnatý ($MgO$). Toto rozlišení je důležité, protože kyselé látky špatně reagují se zásaditými odpady a naopak. Chyba zde může vést k rychlému selhání.
Žáruvzdorné materiály na bázi jílu zahrnují žáruvzdorný jíl, materiály s vysokým obsahem oxidu hlinitého a mullitovou keramiku. Tyto výrobky se zpracovávají stejně jako tradiční stavební keramika. Výrobky vznikají zpracováním tuhé hliněné hmoty, například lisováním nebo vytlačováním. Poté se suší a vypalují v dlouhé tunelové peci. Při výpalu dochází k částečnému zeskelnění. Jedná se o proces slinování v kapalné fázi, který spojuje částice dohromady. Vytváří pevnou hmotu.
Žáruvzdorné materiály bez obsahu jílu vyžadují pokročilou technologii. Keramika s vysokým obsahem oxidu hlinitého a zirkonia se slinuje metodami v kapalné nebo pevné fázi. Jádrové cihly se navzájem spojují chemickými reakcemi mezi komponentami. Karbid křemíku vzniká reakcí mezi křemičitým pískem a koksem. Nejsou to stejné cihly, které vyráběly vaše babičky. Jedná se o inženýrské materiály.
Dříč: Šamot
V rodině jílových žáruvzdorných materiálů je hlavní žáruvzdorná hlína. Vyrábí se z jílu obsahujícího minerál kaolinit ($Al_2[Si_2O_5][OH]_4$). Přítomny jsou také nečistoty, jako jsou alkalické kovy a oxidy železa.
Obsah oxidu hlinitého se pohybuje od 25 % do 45 %. Tento ukazatel určuje třídu. Žáruvzdorný jíl se dělí na nízko-, středně-, vysoko- a ultra-vysoko-hlinitý. Čím vyšší je obsah oxidu hlinitého, tím vyšší je provozní teplota.
Žáruvzdorné cihly, běžně nazývané žáruvzdorné cihly, vykazují při zahřívání relativně nízkou roztažnost. To jim dává určitou odolnost vůči teplotním šokům. Dobře odolávají zatížení.
Z chemického hlediska jsou v kyselém prostředí dosti inertní. Bojují v mainstreamových prostředích. Tam reagují. Proto je lze nalézt ve vyzdívkach vysokých pecí, vysokopecních udírnách a koksovacích pecích. Lemují vnitřní povrchy, kde převládá kyselé prostředí.
Většina z nich se vyrábí ve formě hotových cihel. A co zbytek? Jedná se o monolitické materiály. Tyto materiály lze tvarovat a vytvrzovat na místě. Do této kategorie patří malty pro lepení cihel. To zahrnuje pěchovací směsi. To zahrnuje stříkací směsi – stříkané ze vzduchové jednotky na místo.
Můžete také vytvořit lehký oheň
Standard s vysokým obsahem oxidu hlinitého
Základem žáruvzdorných materiálů s vysokým obsahem oxidu hlinitého je bauxit. Znáte je jako hliníkovou rudu, ale v tomto kontextu jde o směs hydroxidu hlinitého a kaolinitových jílů. Vypalováním této suroviny vzniká směs syntetického oxidu hlinitého a mullitu. Výsledek? Materiál obsahující od 50 do 87,5 % oxidu hlinitého.
Proč je toto procento důležité? Protože takové cihly jsou pevnější než standardní šamotové žáruvzdorné materiály. Lépe odolávají alkalickému prostředí. Jsou odolné vůči abrazivnímu opotřebení. Jejich objem zůstává s rostoucí teplotou stabilní. Používají se pro vyzdívku vysokých pecí, pecních topenišť a pánví pro dopravu tekuté oceli. Neselžou pod tlakem.
Mullite: stabilní jádro
Mullit má specifické složení. Jeho vzorec je 3Al₂O3 · 2SiO₂, což odpovídá přibližně 70 % oxidu hlinitého. Taje při teplotě 1850 °C. K jeho získání výrobci mísí různé jíly s bauxitem a poté směs vypalují v elektrických pecích při vysokých teplotách.
Je nejstabilnější mezi aluminosilikátovými žáruvzdornými materiály. Tato stabilita mu umožňuje odolat vysoké teplotní zátěži bez deformace. Mullitová cihla se používá v kouřovodech vysokých pecí a pod oblouky předních částí sklářských pecí. S horkem nebojuje, ale odolává.
Alternativy bez hlíny
Ne každý žáruvzdorný materiál začíná hlínou. Tyto výrobky bez hlíny se obvykle lisují do cihel, i když některé verze z magnézie a chromitu a oxidu hlinitého jsou vyráběny litím taveniny do forem. I suroviny jsou různé. Hovoříme o uhličitanech nebo oxidech kovů, jako je hořčík, hliník a zirkonium.
Základní žáruvzdorné materiály a odolnost vůči kalu
Základní žáruvzdorné materiály zahrnují hořčík, dolomit, chromit a jejich směsi. Magnesia cihla je vyrobena z periklasu, minerální formy oxidu hořečnatého. Periklas se získává z magnezitu (uhličitan hořečnatý) nebo z hydroxidu hořečnatého extrahovaného z mořské vody a solanky. Metody lepení se liší: chemické lepení, asfaltové lepení, pálené produkty nebo kombinace, kdy je asfalt po vypálení impregnován.
Dolomitové žáruvzdorné materiály používají dolomitovou rudu, směs uhličitanu vápenatého a hořečnatého. Fáze po výstřelu je zde kritická. Musí být impregnovány černouhelným dehtem nebo bitumenem. Proč? Aby se zabránilo hydrataci vápna. Pokud hydratuje, cihla se rozpadne.
Chromitová cihla je podporována chromovými rudami. Jedná se o komplexní tuhé roztoky spinelového typu – chromit a magnetit – smíchané s nečistotami silikátu.
Všechny hlavní žáruvzdorné materiály mají jednu superschopnost: odolávají oxidům železa a zásaditým kalům. To je při výrobě oceli zásadní. Přídavek uhlíku, ať už ve formě vloček nebo zbytkového uhlíku z bitumenu/pryskyřice, mnohonásobně zvyšuje odolnost. Proto se používají k obložení hlavních kyslíkových konvertorů, elektrických pecí a pecí s otevřenou nístějí. Dokonce lemují měděné měniče.
Vysoká hustota s ultra vysokým obsahem oxidu hlinitého
Pokud je požadováno více než 87,5 % oxidu hlinitého, přesunete se do kategorie s ultra vysokým obsahem oxidu hlinitého. Až 100 %. Zrna jsou tavená nebo pevně slinutá. Cílem je hustota. Vysoká hustota zajišťuje objemovou stálost, která je zachována i při teplotách nad 1800 °C.
Oxid křemičitý a kyselá média
Křemičité žáruvzdorné materiály se získávají z ložisek křemence a křemenného štěrku. Mají nízký obsah oxidu hlinitého a alkálií. Spoléhají na chemickou vazbu s 3–3,5 % vápna.
Vydrží vysoké teplotní zatížení. Jsou odolné vůči abrazivnímu opotřebení. Nejdůležitější je, že odolávají kyselým kalům. Mezi značkami – kvalita koksu, standardní a extra těžký – u nástaveb sklářských pecí vítězí verze typu extra heavy. Určujícím faktorem je jeho nízký obsah nečistot.
Ochrana zirkonu před korozí
Zvláštní roli ve sklářských tavicích lázních hraje zirkon, zirkoniumsilikát. Roztavené sklo je korozivní. Zirkon mu odolává. Zachovává si dlouhodobou objemovou stálost při vysokých teplotách. Vykazuje také dobré tečení, což znamená, že se méně deformuje při zatížení za tepla.
Odolnost karbidu křemíku vůči tepelnému šoku
Keramika z karbidu křemíku se vyrábí Achesonovým procesem. Edward G. Acheson ji vynalezl v roce 1891. Metoda spočívá v reakci čistého křemenného písku s jemně mletým uhlíkem (koksem) v elektrické peci. Teplotní rozsah je strmý: od 2200 °C do 2480 °C.
Výsledný materiál má vynikající únosnost při vysokých teplotách. Je rozměrově stabilní. Klíčovým faktorem je ale odolnost proti tepelným šokům. Karbid křemíku dobře vede teplo. Tato vysoká tepelná vodivost zabraňuje extrémním teplotním rozdílům mezi vrstvami. Bez těchto rozdílů nevznikají namáhání tepelnou roztažností. Díky tomu je SiC ideální pro pecní přípravky, které při vypalování podporují jinou keramiku.
Specializované směsi bez hlíny
Menší množství jiných žáruvzdorných materiálů slouží zvláštním potřebám. Grafit. Zirkonium. Forsterit. Směsi, jako je hořčík-oxid hlinitý, magnezit-chromit, chromit-oxid hlinitý a oxid hlinitý-zirkonium-křemičitý.
Alumino-zirkon-silika neboli AZS se vyznačuje tím, že se taví a odlévá do forem nebo přímo do sklářských tavicích lázní. Odolává korozi, aniž by uvolňoval nečistoty do taveniny skla. Odlévá se také za účelem vytvoření vanových bloků známých jako „vojácké“ bloky nebo bloky bočních stěn. Jsou nezbytné pro stavbu a opravy sklářských pecí.
