Разновидности пористых огнеупорных материалов

Алюмосиликатные пористые огнеупорные материалы являются наиболее распространенными. Изделия этого типа изготавливают всеми известными способами. Сырьем служат преимущественно огнеупорные глины и каолины, а также шамот на их основе.

Наиболее широкое применение находят алюмосиликатные шамотные огнеупоры, изготовляемые пеновым способом. Различают три основных вида изделий, получаемых по этому способу: ультралегковес, пенолегковес, пеношамотный легковес.

Ультралегковес – наиболее высокопористый материал, изготовленный из смеси глины (80 %) и тонкоизмельченного шамота (20 %). Высокой пористости достигают за счет тонкого измельчения исходных компонентов, высокой влажности шликера и введения в массу большого количества пены.

Пенолегковес получают из высокоотощенных глинистых масс, содержащих 80…95 % шамотных зерен, и высокопластичной глины в качестве связки. Изделия формуют методом литья пеномассы в металлические или гипсовые формы.

Пеношамотные огнеупорные изделия отличаются тем, что в их состав вводят от 65 до 70 % пористых шамотных гранул размером 0,5…10 мм. В качестве связки используют 30…35 % огнеупорной глины. Формуют пеношамотные изделия путем легкого уплотнения или трамбования. Достоинством пеношамота являются незначительная усадка при сушке и обжиге, точные формы изделий, повышенная термическая стойкость по сравнению с обычным пенолегковесом.

Свойства некоторых видов алюмосиликатных шамотных легковесных огнеупоров приведены в табл. 4.10 [19].

Таблица 4.10

Физико-технические свойства шамотных легковесных огнеупоров

Виды шамотных огнеупоров	Предел прочности при сжатии, МПа	Теплопро-водность, Вт/(м·0С)	Дополните-льная усадка, %, при температуре 1350 0С	Огнеупор-ность, 0С	Температура начала размягчения, 0С
Ультралегковес (ρm = 400 кг/м3)	2,1…2,4	0,149	-	1670…1710	1100
Пенолегковес (ρm = 600 кг/м3)	4,1	0,220	0,5	1700	1210
Пенолегковес (ρm = 700 кг/м3)	1,5	0,395	0,1	1690	1270
Пенолегковес (ρm = 750 кг/м3)	2,0…3,0	0,545	0,5	1680	1210
Пеношамот (ρm =1000 кг/м3)	2,0…3,0	0,418	0,1…0,5	1670	-

К алюмосиликатным относятся также пористые материалы на основе кордиерита 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂, сподумена Li₂O·Al₂O₃·4SiO₂ и анортита CaO·Al₂O₃·2SiO₂. Эти изделия отличаются от шамотных более высокой термической стойкостью. Изготавливают их из шамота, получаемого из смеси огнеупорной глины и сырого магнезита, с последующим тонким измельчением.

Алюмосиликатные легковесные огнеупоры широко применяются в строительстве печей и других областях техники. Их используют для рабочей и промежуточной футеровок при различных температурах (до 1550…1600 ⁰С).

Динасовые пористые огнеупорные изделия изготавливают двумя способами: пеновым и выгорающих добавок. В качестве исходного сырья используют разнообразные кристаллические кварциты, кварцевые пески и их смеси с цементными кварцитами, содержащими не менее 97 % SiO₂, что обеспечивает получение изделий, содержащих 90…93 % SiO₂ и обладающих огнеупорностью 1650…1730 ⁰С.

Существует два вида динасовых огнеупоров: пенодинас и легковесный динас. Их свойства представлены в табл. 4.11.

Таблица 4.11

Сравнительные характеристики пенодинаса и легковесного динаса

Вид динасовых огнеупоров	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Огнеупорность, %	Температура начала размягчения под нагрузкой	Теплопро-водность, Вт/(м·0С)
Пенодинас	800…850	2…3	1650	1240	0,79
Динас легковесный	1000…1230	4…8	1680…1700	1620…1640	0,79

Для получения пенодинаса кварциты подвергают тонкому измельчению. В качестве связки применяют высокоглиноземистый цемент.

Легковесный динас получают способом выгорающих добавок из шихты, содержащей 65…70 % молотого кварцита, 30…35 % кокса или антрацита и известкового молока, к которому добавляют 1,0…1,4 % сульфитно-спиртовой барды.

Динасовый легковес применяют для футеровки стен, сводов и подподовой изоляции печей. Наиболее эффективно применение пористого динаса в нагревательных, кузнечных и термических печах, а также в периодических и газокамерных печах для обжига динасовых, шамотных и других керамических изделий.

Высокоглиноземистые пористые огнеупорные материалы изготавливают из природных (бокситы, диаспор, кианит, андалузит) и искусственных материалов (высокоглиноземистый шамот, технический глинозем, электроплавленный корунд) также пеновым способом или способом выгорающих добавок.

Изделия, получаемые пеновым способом, отличаются более высокой пористостью, повышенной прочностью и термической стойкостью, чем изделия, полученные способом выгорающих добавок (табл. 4.12). Несмотря на некоторые преимущества изделий, изготовленных пеновым способом, последний относительно мало применяется в связи с более сложной технологией: большая влажность пеномассы требует сложного режима и продолжительной сушки, а малая прочность – более осторожного обращения.

Корундовые пористые огнеупорные изделия изготавливают с применением в качестве исходного сырья технического глинозема с содержанием 97…99 % Al₂O₃ и электроплавленного корунда.

Путем прессования получают изделия с невысокой равномерной пористостью (средняя плотность 1,8…1,9 г/см³). Для повышения пористости материала вместо плотных зерен корунда и глинозема используются пористые или пустотелые гранулы корунда, которые получают различными способами (дроблением пеногранул корунда или брака пенокерамики, продувкой воздухом расплава Al₂O₃, нанесением слоя пылевидного глинозема на шарики выгорающей добавки с последующим ее выжиганием).

Таблица 4.12

Состав и свойства пористых высокоглиноземистых материалов

Исходное высокоогнеупорное сырье	Состав массы, %	Способ формования	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Теплопроводность, Вт/(м·0С)	Огнеупорность, 0С	Температура начала деформации, 0С	Дополнительная усадка, %, при температуре, 0С
Способ выгорающих добавок
Обожженный боксит	Боксит – 50…80, глина – 20…50, опилки – 10…20*	Пластическое формование	800…2000	0,5…3,2	-	-	-	-
Кианитовый концентрат	Кианит – 50…75, каолин – 10…15, кокс – 15…25	Полусухое прессование	1000…1900	3,7…30	0,60	1800	-	0,3** 1500
Диаспоровый концентрат	Концентрат – 15, диаспоровый шамот – 26, глина – 4, опилки – 84	Пластическое формование	1300…1400	8,0…11,5	0,72	1770	1290	0,3 1400
Технический глинозем	Высокоглиноземистый шамот – 58, каолин – 6, глина – 6, кокс – 30	Прессование	1400	3,3…4,9	0,73	1855	1370	0,4 1600
Пеновый способ
Диаспоровый концентрат	Концентрат – 80, глина – 20	Заливка в формы	500…1300	9,0…73	0,58	-	1430	0,3 1600

Примечания: *Выгорающая добавка берется сверх 100 %,

** В числителе – усадка, в знаменателе – температура.

Пеновым способом получают корундовые легковесы плотностью менее 1 г/см³. Пенокорунд обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, равномерным строением с частично замкнутыми порами.

Корундовые пористые огнеупорные материалы могут применяться при температуре до 1750…1850 ⁰С. Высокопористый корунд обладает малой теплопроводностью, высокой огнеупорностью, химической инертностью, превосходными электроизоляционными свойствами, что позволяет использовать его в качестве высокотемпературной теплоизоляции в условиях воздействия различных химических реагентов в окислительных и восстановительных средах.

Кроме вышеуказанных огнеупорных легковесов в настоящее время производятся пористые материалы из окиси магния, окиси бериллия, двуокиси циркония, карбидов и других бескислородных соединений. Эти материалы, несмотря на высокую эффективность, не нашли пока широкого применения в связи с высокой стоимостью исходного сырья и несовершенством применяемых технологических приемов для их изготовления.

Огнеупорные волокна и материалы на их основе являются самыми молодыми из всех огнеупорных пористых материалов. Изделия из этих материалов отличаются от традиционных легковесных огнеупоров, имеющих ячеистую пористую структуру, высокой термической стойкостью и очень низкой теплопроводностью.

Впервые промышленный выпуск огнеупорного волокна был организован в США. Сырьем для получения этого волокна являлся чистый каолин Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, который расплавляли в печи и воздействовали на струю расплава, вытекающую из печи, струей сжатого воздуха. При этом струя расплава расщеплялась на отдельные тонкие струйки, которые вытягивались в тончайшие нити и осаждались в виде ковра.

В нашей стране была разработана технология получения искусственного алюмосиликатного волокна, получившего название «каолиновая вата». Сырьем для ее изготовления служат технический глинозем, содержащий до 99 % Al₂O₃, и чистый кварцевый песок. Исходные компоненты тщательно смешивают и плавят в электродуговой печи. Полученный расплав выпускают из печи в виде тонкой струи, на которую воздействуют паровым дутьем. Образующиеся при этом волокна собирают в камере волокнообразования.

На основе каолиновой ваты и неорганических вяжущих веществ (огнеупорной глины, бентонита, высокоглиноземистого цемента) изготавливают различные теплоизоляционные и огнеупорные изделия, основные свойства которых представлены в табл. 4.13.

Таблица 4.13

Физико-технические свойства материалов из каолиновой ваты

Вид изделий	Средняя плотность, кг/м3	Прочность, МПа		Теплопроводность, Вт/(м·0С), при температуре, 0С		Предельная температура применения, 0С
		при сжатии	при изгибе	600	1000
Плиты и трубы из керамвола	600…800	6…10	4…6	0,174	-	950
Теплоизоляционно-компенсационные плиты (безобжиговые)	250…350	0,6…0,8	0,3…0,5	0,116	0,151	1250
Плиты теплоизоляционные на высокоглиноземистом цементе	300…500	1,0…1,8	0,6…1,0	0,137	0,162	1200

Керамвол – керамический материал волокнистого строения, который состоит из каолиновой ваты и бентонитового связующего. Его основной особенностью является то, что он не вступает в химическое взаимодействие с расплавами алюминия, не смачивается ими при температурах 750…800 ⁰С, обладает высокими физико-механическими свойствами и очень низкой теплопроводностью. Изделия из керамвола применяют для футеровки и тепловой изоляции литейного оборудования при производстве алюминия и его сплавов.

Теплоизоляционно-компенсационные плиты изготавливают из каолиновой ваты и глиняного связующего. Они предназначены для заполнения компенсационных зазоров в периодически действующих тепловых аппаратах (воздухонагреватели доменных печей). Основное назначение этих изделий состоит в том, чтобы воспринимать, не разрушаясь, многократные пульсирующие нагрузки, возникающие в результате температурных деформаций огнеупорной футеровки, и не допускать перегрева металлического кожуха аппарата.

Плиты теплоизоляционные на высокоглиноземистом цементе предназначены для устройства тепловой изоляции различных тепловых агрегатов с рабочей температурой до 1200 ⁰С.

Кроме перечисленных изделий на основе огнеупорных волокон, выпускают рулонный материал в виде войлока, который применяют для тепловой изоляции технологического и теплового оборудования, паровых котлов, газовых турбин и др.

Неорганические огнеупорные волокна играют важную роль в современной промышленности. Их применяют в виде набивок. Из них изготавливают различные теплоизоляционные изделия: плиты, скорлупы, трубы, блоки, картонные листы, ткани, жгуты, войлок, маты и др., которые используют для тепловой изоляции в промышленности и для защиты оборудования и строительных конструкций от вредного теплового воздействия [19].