Byli niezasłużenie zapomnianymi bohaterami boomu przemysłowego. Materiały ognioodporne wytrzymują nawet temperatury przekraczające limity dozwolone dla konwencjonalnej stali lub betonu. Te materiały ceramiczne o wysokiej temperaturze topnienia nie tylko wytrzymują ciepło; zachowują integralność strukturalną, działając jako osłona wyposażenia wewnętrznego, zachowując jednocześnie integralność strukturalną.
Bez nich zamarłby przemysł metalurgiczny, szklarski i ceramiczny. Nie da się stopić stali czy szkła bez okładziny, która sama się nie topi.
Materiały te składają się głównie z ceramiki. Stosowane są do wykonywania cegieł, okładzin i form monolitycznych do wykładania wewnętrznych powierzchni pieców, suszarek i innych wysokotemperaturowych urządzeń technologicznych. Samo określenie pochodzi od francuskiego słowa réfractaire, które dosłownie oznacza „wysoką temperaturę topnienia”. Jest to proste wyjaśnienie złożonego problemu.
Dlaczego się nie topią i nie pękają?
Ceramika ma silne pierwotne wiązania chemiczne. To sprawia, że są to rzadkie połączenie wysokiej temperatury topnienia i obojętności chemicznej. Środowisko w hutnictwie i produkcji szkła jest trudne. Piece są narażone na działanie korozyjnych stopów i gazów, które niszczą słabsze materiały w ciągu kilku sekund.
Ale ciepło nie jest jedynym wrogiem. Zużycie jest stałe. A szok termiczny następuje nagle.
Szok termiczny ma miejsce, gdy obiekt szybko ochładza się pod wpływem wysokiej temperatury. Warstwa powierzchniowa kurczy się, podczas gdy warstwa wewnętrzna pozostaje gorąca. To powoduje powstawanie naprężeń rozciągających. Tworzą się pęknięcia. Pęknięcia się rozprzestrzeniają. Materiał zawodzi.
Ceramika jest delikatna, to prawda. Ale inżynierowie znaleźli sposób, aby wytrzymać takie uderzenia. Robią to poprzez manipulację mikrostrukturą podczas procesu produkcyjnego.
Zwróć uwagę na konsystencję. Większość ceramicznych materiałów ogniotrwałych jest szorstka. Porównaj je z porcelaną, a nawet zwykłą cegłą. Cząstki wypełniające w materiałach ogniotrwałych mają wielkość milimetrową, a nie mikronową. Są szorstkie. I są porowate. Materiał zawiera dużą ilość przestrzeni powietrznych.
Po co zapraszać powietrze do solidnej konstrukcji?
Duże cząstki i pory matowe, pękają. Kiedy fala napięcia uderza w pory, zatrzymuje się. To nie ma zastosowania. Zmniejsza to wrażliwość na szok termiczny. Gdy temperatura spada, porowatość zapobiega pękaniu cegły.
Jednak porowatość jest kompromisem. Jeśli materiał ogniotrwały wejdzie w kontakt z substancjami żrącymi (na przykład w piecach szklarskich), przestrzenie powietrzne stają się niebezpieczne. Materiały korozyjne wnikają i niszczą konstrukcję od wewnątrz. W takich przypadkach producenci zwiększają gęstość. Zmniejszają pory. Poświęcają część odporności na szok termiczny na rzecz trwałości chemicznej.
Co jest lepsze? To zależy od zadania.
Chemia odporności na ciepło
Nie wszystkie materiały ogniotrwałe są sobie równe. Ich skład i sposób przetwarzania znacznie się różnią w zależności od zastosowania. Generalnie dzielimy je na dwie szerokie kategorie: na bazie gliny i na bazie gliny.
Przyglądamy się także ich naturze chemicznej. Czy są kwaśne czy zasadowe?
Kwaśne materiały ogniotrwałe zawierają dwutlenek krzemu ($SiO_2$) lub tlenek cyrkonu ($ZrO_2$). Podstawowe materiały ogniotrwałe obejmują tlenek glinu ($Al_2O_3$) i tlenki metali ziem alkalicznych, takie jak wapno ($CaO$) i tlenek magnezu ($MgO$). To rozróżnienie jest ważne, ponieważ substancje kwaśne słabo reagują z odpadami zasadowymi i odwrotnie. Błąd tutaj może prowadzić do szybkiej awarii.
Materiały ogniotrwałe na bazie gliny obejmują glinę ogniotrwałą, materiały o wysokiej zawartości tlenku glinu i ceramikę mulitową. Produkty te przetwarzane są w taki sam sposób, jak tradycyjna ceramika budowlana. Produkty powstają w wyniku obróbki sztywnej masy gliniastej, na przykład poprzez prasowanie lub wytłaczanie. Następnie są suszone i wypalane w długim piecu tunelowym. Podczas wypalania następuje częściowe zeszklenie. Jest to proces spiekania w fazie ciekłej, który wiąże ze sobą cząstki. Tworzy zwartą masę.
Materiały ogniotrwałe niezawierające gliny wymagają zaawansowanej technologii. Ceramikę o wysokiej zawartości tlenku glinu i cyrkonu spieka się metodami w fazie ciekłej lub w fazie stałej. Cegły rdzeniowe łączą się ze sobą poprzez reakcje chemiczne pomiędzy składnikami. Węglik krzemu powstaje w reakcji piasku kwarcowego i koksu. To nie są te same cegły, które robiły Wasze babcie. Są to materiały inżynierskie.
Koń pociągowy: szamot
W rodzinie glinianych materiałów ogniotrwałych najważniejsza jest glina ogniotrwała. Jest wytwarzany z gliny zawierającej minerał kaolinit ($Al_2[Si_2O_5][OH]_4$). Obecne są również zanieczyszczenia, takie jak metale alkaliczne i tlenek żelaza.
Zawartość tlenku glinu waha się od 25% do 45%. Ten wskaźnik określa klasę. Glinkę ogniotrwałą dzielimy na glinkę o niskiej, średniej, wysokiej i bardzo wysokiej zawartości tlenku glinu. Im wyższa zawartość tlenku glinu, tym wyższa temperatura robocza.
Cegły ogniotrwałe, powszechnie zwane cegłami ogniotrwałymi, wykazują stosunkowo niską rozszerzalność po podgrzaniu. Daje im to pewną odporność na szok termiczny. Dobrze wytrzymują obciążenia.
Z chemicznego punktu widzenia są one dość obojętne w środowisku kwaśnym. Walczą w środowiskach głównego nurtu. Tam reagują. Dlatego można je spotkać w wymurówkach wielkich pieców, wędzarniach wielkopiecowych i piecach koksowniczych. Wyścielają powierzchnie wewnętrzne, gdzie dominuje środowisko kwaśne.
Większość z nich produkowana jest w formie gotowych cegieł. A co z resztą? Są to materiały monolityczne. Materiały te można formować i utwardzać na miejscu. Do tej kategorii zaliczają się zaprawy do klejenia cegieł. Obejmuje to mieszanki ubijające. Obejmuje to mieszaniny natryskowe – rozpylane z jednostki powietrznej na miejsce.
Możesz także rozpalić lekki ogień
Standard o wysokiej zawartości tlenku glinu
Podstawą materiałów ogniotrwałych o wysokiej zawartości tlenku glinu jest boksyt. Znacie je jako rudę aluminium, ale w tym kontekście jest to mieszanina wodorotlenku glinu i glinek kaolinitowych. Wypalanie tego surowca powoduje powstanie mieszaniny syntetycznego tlenku glinu i mulitu. Wynik? Materiał zawierający od 50 do 87,5% tlenku glinu.
Dlaczego ten odsetek jest ważny? Ponieważ takie cegły są mocniejsze niż standardowe materiały ogniotrwałe. Lepiej znoszą środowisko zasadowe. Są odporne na zużycie ścierne. Ich objętość pozostaje stabilna wraz ze wzrostem temperatury. Stosowane są do wyłożenia wielkich pieców, palenisk pieców i kadzi do transportu ciekłej stali. Nie zawodzą pod presją.
Mullit: stabilny rdzeń
Mulit ma specyficzny skład. Jego formuła to 3Al₂O₃ · 2SiO₂, co odpowiada około 70% tlenku glinu. Topi się w temperaturze 1850°C. Aby go uzyskać, producenci mieszają różne gliny z boksytem, a następnie wypalają mieszaninę w piecach elektrycznych w wysokich temperaturach.
Jest najbardziej stabilny wśród glinokrzemianowych materiałów ogniotrwałych. Ta stabilność pozwala mu wytrzymać obciążenia wysokotemperaturowe bez odkształceń. Cegła mulitowa stosowana jest w kanałach dymowych wielkich pieców i pod łukami przednich sekcji pieców szklarskich. Nie walczy z upałem, ale go wytrzymuje.
Alternatywy bez gliny
Nie każdy materiał ogniotrwały zaczyna się od gliny. Te produkty niezawierające gliny są zwykle prasowane w cegły, chociaż niektóre wersje magnezytowo-chromitowe i tlenku glinu są wytwarzane przez odlewanie w formie ze stopu. Surowce też są różne. Mówimy o węglanach lub tlenkach metali takich jak magnez, aluminium i cyrkon.
Podstawowe materiały ogniotrwałe i odporność na osady
Podstawowe materiały ogniotrwałe obejmują tlenek magnezu, dolomit, chromit i ich mieszaniny. Cegła magnezytowa wytwarzana jest z peryklazy, mineralnej postaci tlenku magnezu. Peryklaza otrzymywana jest z magnezytu (węglanu magnezu) lub z wodorotlenku magnezu ekstrahowanego z wody morskiej i solanek. Metody klejenia są różne: wiązanie chemiczne, wiązanie bitumiczne, produkty wypalane lub kombinacja, w której bitum jest impregnowany po wypaleniu.
Dolomitowe materiały ogniotrwałe wykorzystują rudę dolomitową, mieszaninę węglanów wapnia i magnezu. Etap po wypaleniu jest tutaj krytyczny. Należy je zaimpregnować smołą węglową lub bitumem. Dlaczego? Aby zapobiec uwodnieniu wapna. Jeśli ulegnie nawodnieniu, cegła się rozpadnie.
Cegła chromitowa jest wspierana rudami chromu. Są to złożone roztwory stałe typu spinelowego – chromitu i magnetytu – zmieszane z zanieczyszczeniami krzemianowymi.
Wszystkie główne materiały ogniotrwałe mają jedną supermoc: są odporne na tlenki żelaza i zasadowe zawiesiny. Jest to istotne w produkcji stali. Dodatek węgla w postaci płatków lub węgla resztkowego z bitumu/żywicy wielokrotnie zwiększa odporność. Dlatego też stosuje się je do wyłożenia głównych konwertorów tlenu, pieców elektrycznych i pieców martenowskich. Obsługują nawet konwertery miedziane.
Wysoka gęstość i bardzo wysoka zawartość tlenku glinu
Gdy wymagane jest więcej niż 87,5% tlenku glinu, przechodzisz do kategorii ultrawysokiej zawartości tlenku glinu. Do 100%. Ziarna są stopione lub ściśle spiekane. Celem jest gęstość. Wysoka gęstość zapewnia stabilność objętościową, która utrzymuje się nawet w temperaturach powyżej 1800°C.
Krzemionka i media kwaśne
Krzemionkowe materiały ogniotrwałe otrzymywane są ze złóż kwarcytu i żwiru kwarcowego. Mają niską zawartość tlenku glinu i zasad. Opierają się na wiązaniu chemicznym z 3–3,5% wapna.
Wytrzymują obciążenia w wysokich temperaturach. Są odporne na zużycie ścierne. Co najważniejsze, są odporne na kwaśne osady. Wśród marek – jakości koksu, standardowej i bardzo ciężkiej – wersja ekstra ciężka wygrywa w przypadku nadbudówek pieców szklarskich. Decydującym czynnikiem jest niska zawartość zanieczyszczeń.
Ochrona cyrkonu przed korozją
Cyrkon, krzemian cyrkonu, odgrywa szczególną rolę w kąpielach do topienia szkła. Roztopione szkło jest żrące. Cyrkon stawia mu opór. Długo utrzymuje stabilność objętościową w wysokich temperaturach. Wykazuje również dobre pełzanie, co oznacza, że odkształca się mniej pod obciążeniem na gorąco.
Odporność węglika krzemu na szok termiczny
Ceramika z węglika krzemu jest produkowana w procesie Achesona. Edward G. Acheson wynalazł go w 1891 roku. Metoda polega na reakcji czystego piasku kwarcowego z drobno zmielonym węglem (koksem) w piecu elektrycznym. Zakres temperatur jest stromy: od 2200 °C do 2480 °C.
Powstały materiał ma wyjątkową nośność w wysokich temperaturach. Jest stabilny wymiarowo. Ale kluczowym czynnikiem jest odporność na szok termiczny. Węglik krzemu dobrze przewodzi ciepło. Ta wysoka przewodność cieplna zapobiega ekstremalnym różnicom temperatur pomiędzy warstwami. Bez takich różnic nie powstają naprężenia związane z rozszerzalnością cieplną. To sprawia, że SiC idealnie nadaje się do osprzętu pieca, który podtrzymuje inną ceramikę podczas wypalania.
Specjalistyczne mieszanki bezgliniaste
Mniejsze ilości innych materiałów ogniotrwałych służą specjalnym potrzebom. Grafit. Cyrkon. Forsteryt. Mieszanki takie jak magnezja-tlenek glinu, magnezyt-chromit, chromit-tlenek glinu i tlenek glinu-cyrkon-krzemionka.
Tlenek glinu-cyrkonu-krzemionki, czyli AZS, wyróżnia się stopieniem i wlaniem do form lub bezpośrednio do kąpieli do topienia szkła. Jest odporny na korozję, nie uwalniając zanieczyszczeń do stopionego szkła. Jest również odlewany do tworzenia bloków wannowych zwanych blokami „żołnierskimi” lub blokami ścian bocznych. Są niezbędne do budowy i naprawy pieców szklarskich.
