Огнеупорный металл: классификация, свойства, сплавы

О чем речь? Разработка огнеупорного металла является настоящим прорывом для многих отраслей промышленности, поскольку он может помочь сделать здания более устойчивыми к пожарам и другим катастрофам.

Для чего используют? Огнеупорный металл применяют для создания более надежных деталей для автомобилей, что делает их наиболее безопасными в случае аварии или столкновения, и прочных компонентов для таких производственных процессов, как литье или сварка.

Технические и эксплуатационные характеристики

Ключевая характеристика огнеупоров – максимальная температура, которую они способны выдержать, не деформируясь. Именно от этого параметра зависят области, в которых может эффективно применяться тот или иной огнеупорный материал.

Во внимание принимаются и другие особенности того, как ведет себя огнеупорный металл под действием экстремально высокой температуры, а именно:

• сопротивление материала деформации и разрушению под воздействием больших нагрузок и высокой температуры;
• способность выдерживать сжимающие нагрузки в сочетании с нагреванием (этот параметр определяется структурой материала);
• устойчивость металла к воздействию агрессивных химических веществ в сочетании с высокой температурой.

Материалы, выдерживающие воздействие высокой температуры в диапазоне от +1 580 до +3 000 °C, принято называть огнеупорными, а выше данных показателей – сверхогнеупорными.

Классификация огнеупорных материалов

Название «огнеупоры» применяют для материалов, в том числе строительных, способных без деформации выдерживать нагревание как минимум до +1 580 °С и работать при длительном воздействии экстремальной температуры, не меняя своих физических и механических характеристик.

Обычные стройматериалы – железобетон, бетон и строительный кирпич, из которых строят печи для выплавки металла, дополняются материалами специального назначения – огнеупорными, теплоизоляционными и жаропрочными металлическими элементами. Огнеупоры играют крайне важную роль в металлургической промышленности, так как для плавки используется экстремально высокая температура, а значит, эффективность работы плавильных печей определяется качеством применяемых огнеупоров.

В зависимости от химического состава огнеупорные материалы бывают:

1. кремнеземистыми или динасовыми с содержанием диоксида кремния не ниже 92 % – для изготовления таких материалов применяется кварцит;
2. алюмосиликатными (шамот – до 45 % оксида алюминия, высокоглиноземистые огнеупоры – более 45 % Al2O3) – в состав таких материалов входят огнеупорные глины и каолины;
3. магнезиальными (магнезитовыми – более 85 % оксида магния, доломитовыми – более 35 % оксида магния и 40 % оксида кальция, форстеритовыми – до 85% Mg2 SiO4, шпинельными – оксид магния и оксид алюминия) – для изготовления таких материалов используются магнезитосодержащие минералы и связующие добавки;
4. хромистыми (хромитовыми – 30 % оксида хрома; хромомагнезитовыми – от 10 до 30 % оксида хрома и от 30 до 70 % оксида магния);
5. углеродистыми (графитовыми – от 30 до 60 % углерода; коксовыми – от 70 до 90 % углерода);
6. цирконистыми (циркониевыми – из оксида циркония; цирконовыми – из оксида циркония и оксида кремния);
7. окисными – в состав таких огнеупоров входят окись бериллия, окись тория и окись церия;
8. карбидными (карборундовыми – от 30 до 90 % карбида кремния) и нитридными, в состав которых входят нитриды, карбиды и сульфиды.

По степени огнеупорности огнеупоры принято делить на три группы. Они бывают:

• огнеупорными (от +1 580 до +1 750 °С);
• высокоогнеупорными (от +1 770 до +2 000 °С);
• высшей огнеупорности (более +2 000 °С).

Согласно ГОСТ 4385-68 материалы в первой группе делятся на классы:

• 0 – огнеупорность от +1 750 °С;
• А – огнеупорность от +1 730 °С;
• Б – огнеупорность от +1 670 °С;
• В – огнеупорность от +1 580° С.

В зависимости от типа термообработки огнеупоры бывают:

• обжиговыми;
• безобжиговыми;
• литыми плавлеными.

В зависимости от технологии производства огнеупорные материалы делят на:

• формованные – таким изделиям придают форму на производстве (огнеупоры и теплоизоляция);
• неформованные – огнеупорные материалы приобретают форму при применении (огнеупорный бетон, набивная масса, обмазка);
• огнеупорные растворы – составы для заполнения швов кладки из огнеупорного кирпича.

Существует несколько видов штучных огнеупорных изделий:

1. нормальные кирпичи;
2. фасонные изделия;
3. крупные блоки;
4. специальные изделия (тигли, трубки и т. п.).

Основные свойства огнеупорных материалов

О пригодности огнеупорных материалов к применению для решения конкретных задач судят по их основным физико-механическим и эксплуатационным характеристикам.

Огнеупорность

Огнеупорность – термин, который принято использовать для обозначения способности материала противостоять нагреву без деформации под собственным весом. Под действием высокой температуры первым делом начинается плавление легкоплавких составляющих. По мере нагревания постепенно размягчается основная масса. Процесс сопровождается снижением вязкости и медленным переходом в жидкое состояние.

Величина температурного интервала, разделяющего начало снижения твердости и расплавление огнеупоров, может измеряться сотнями градусов. Основной параметр огнеупорности – температура размягчения.

Огнеупорность материалов определяют с помощью керамического пироскопа, представляющего собой усеченную трехгранную пирамиду, высота которого достигает 60 мм. Основание приспособления – равносторонний треугольник, каждая сторона которого равна 10 мм.

Для того чтобы определить огнеупорность материала, используют изготовленную из него пирамиду, размеры которой аналогичны габаритам пироскопов. Подставка с установленными на ней испытуемым образцом и несколькими эталонами разной огнеупорности разогревается в специальной электропечи. В ходе испытания исследователь отслеживает размягчение и падение пирамидок при заданной температуре. Огнеупорность опытного образца при этом будет равна огнеупорности пироскопа, который полностью размягчился одновременно с ним.

Деформация под нагрузкой при высокой температуре

Огнеупорные кирпичи или блоки, из которых выложены стенки плавильной печи, подвергаются сжимающему воздействию, сила которого нарастает по мере нагревания. Для огнеупоров также важно, насколько успешно они сопротивляются химическому и физическому воздействию, которое оказывают на них продукты протекающих в камере процессов – расплавленный металл, пыль, зола, пары, газы и шлаки. Последние особенно интенсивно воздействует на огнеупорную кладку. По устойчивости к разным видам шлака огнеупоры принято делить на три вида – они бывают кислыми, основными и нейтральными.

Устойчивость кислых огнеупоров к воздействию кислых шлаков не защищает их от разрушения под действием основных. Самый широко применяемый из кислых огнеупорных материалов – динас, устойчивый к окислительному и восстановительному действию продуктов плавки. Основным огнеупорам свойственна устойчивость к воздействию основных шлаков. Эти материалы изготавливаются с добавлением извести, магнезии и щелочных окислов (доломита, магнезита и т. п.).

Для нейтральных или промежуточных огнеупоров, изготавливаемых с добавлением аморфных окислов, характерна способность вступать в реакцию с кислыми и основными шлаками, но значительно менее интенсивно, чем огнеупорные материалы первых двух видов. Широко применяется хромистый железняк, состоящий в основном из FeO·Cr2O3.

Шлакоустойчивость

Это свойство огнеупорного материала определяется вязкостью шлаков и скоростью, с которой он с ними реагирует. Если реакции протекают медленно, а шлаки обладают достаточной вязкостью, огнеупор хорошо справляется со своими задачами. При повышении температуры реакции ускоряются, а шлаки становятся менее вязкими. Даже увеличение на пару десятков градусов может существенно повысить интенсивность разрушения огнеупора. Чем ниже плотность материала и больше его пористость, тем он менее шлакоустойчив.

Огнеупорные кирпичи лучше выдерживают воздействие шлака на гладкой, покрытой коркой поверхности, чем на шероховатой поверхности изломов. Наличие трещин также отрицательно сказывается на шлакоустойчивости огнеупоров.

Шлакоустойчивость огнеупоров определяют двумя методами – статическим и динамическим. В первом случае измельченный шлак засыпается внутрь цилиндрической выемки, которая высверливается в образце. Далее материал разогревается до рабочей температуры (не менее +1 450 °С) и выдерживается от 3 до 4 часов. Результаты испытания оцениваются по тому, насколько материал растворился в шлаках и как глубоко они проникли.

Динамическое исследование материала на шлакоустойчивость предусматривает посыпание огнеупорного блока, установленного в печь в вертикальном положении, порошкообразным шлаком (1 000 г) в течение одного часа. Материал проверяют на так называемую шлакоразъедаемость, определяя, сколько он потерял в объеме (в см3) под действием плавящегося и стекающего по поверхности шлака, который при этом выедает в нем углубления. При оценке результатов испытания необходимо делать поправку на дополнительную усадку кирпича.

Теплопроводность

Для разных целей может требоваться огнеупорный материал, имеющий как низкую, так и высокую способность проводить тепло. Например, футеровка плавильной печи должна обладать низкой теплопроводностью, чтобы уменьшать тепловые потери и тем самым повышать коэффициент полезного действия. Если же речь идет об изготовлении таких изделий, как тигли и муфели, необходимо использовать материалы, хорошо проводящие тепло, чтобы уменьшить перепады температуры в стенках.

При нагревании в большинстве случаев происходит возрастание теплопроводности огнеупорных материалов, за исключением магнезитовых и карбокорундовых, которые с повышением температуры начинают лучше проводить тепло.

Электропроводность

Этот параметр особенно важен для огнеупорных материалов, предназначенных для облицовки камер электропечей. При нормальной температуре большинство огнеупоров практически не проводит электрический ток. При нагревании электропроводность быстро растет, превращая их в проводники, однако в случае с сильно пористыми материалами это не срабатывает – они начинают хуже проводить ток.

Теплоемкость

От этого параметра огнеупорного материала зависит, с какой скоростью нагревается и остывает футеровка и сколько энергии нужно израсходовать на плавку. Особенно важен данный показатель, если речь идет о печах периодического действия. На способность поглощать тепло влияет химико-минералогический состав огнеупора. Она имеет свойство немного возрастать при нагревании материала. Для определения используется калориметрия. В среднем теплоемкость огнеупоров колеблется от 0,8 до 1,5 кДж/(кг·К).

Пористость

В качестве огнеупоров, как правило, используются пористые материалы с крайне разнообразными размерами, количеством и структурой пор, которые могут как сообщаться между собой и с окружающим воздухом, так и представлять собой замкнутые пустоты. Важно различать виды пористости, которая может быть открытой, закрытой и истинной, то есть суммарной. Для определения открытой пористости измеряют водопоглощение и объемную массу огнеупорного материала.

Газопроницаемость

Природа материала, величина открытой пористости, однородность структуры, температура и давление газов сказываются на газопроницаемости огнеупорного материала. При нагревании огнеупоры начинают хуже пропускать газ, так как одновременно увеличиваются его объем и вязкость. Чем ниже газопроницаемость, тем лучше материал выполняет свои функции, особенно когда речь идет о ретортах, муфелях или тиглях. Самыми высокими показателями обладают шамотные огнеупоры, а самые низкие демонстрирует динас.

Плотность и объемная масса

Для определения плотности огнеупора нужно разделить его массу на занимаемый объем. Различают кажущуюся и истинную плотности. Первая определяется как отношение массы сухого огнеупора к его общему объему. Для вычисления истинной плотности нужно из общего объема вычесть суммарный объем пор. Для определения объемной массы берется отношение массы образца, который предварительно высушивается при +105 °С, к его общему объему.

Внешний вид и структура

Существуют стандарты, на основании которых огнеупоры делятся на сорта, которые устанавливаются в соответствии с величиной отклонений от заявленного размера, кривизной, отбитостью углов, притупленностью ребер, наличием отдельных выплавок, ошлакованностью, просечками и трещинами. Колебания размеров допустимы в диапазоне, указанном в соответствующем нормативном документе. Кривизну изделия, которая влияет на плотность кладки, определяет стрела прогиба. На качестве футеровки также отрицательно сказываются отбитые углы и притупленные ребра.

Местными выплавками называют зоны оплавления поверхности материала, в которой образуются каверны. Такие дефекты возникают, если при изготовлении огнеупора недостаточно тщательно перемешивается шихта. Появление пустот приводит к быстрому разрушению материала под действием шлаков, причем даже при относительно небольшом нагревании. Количество таких изъянов на поверхности ограничивают соответствующие нормы сортности.

Шлаки могут собираться на поверхности огнеупора в результате попадания на нее песка или глины во время обжига. Этот показатель также строго ограничен нормативами. Наличие просечек (разрывов шириной до 0,5 мм) и трещин (разрывов шириной более 0,5 мм) приводит к снижению шлакоустойчивости и снижению механической прочности огнеупора. Формирование таких изъянов происходит вследствие резких перепадов температуры при термической обработке изделий.

Излом качественного огнеупорного материала должен демонстрировать однородную структуру без каверн и трещин, а также равномерную зернистость без выпадения и легкого выкрашивания отдельных зерен.

Транспортировка и хранение огнеупорных изделий

Для обеспечения сохранности, хорошего качества кладки и неизменности эксплуатационных качеств при доставке потребителям важно соблюдать правила транспортировки и хранения огнеупорных материалов. Если для перевозки используется железная дорога, огнеупорные кирпичи необходимо уложить плотными рядами, прокладывая их соломой или древесной стружкой, по полу вагона и расклинить. Если транспортировка осуществляется на грузовом автомобиле – правила те же.

Оптимальный вариант для перевозки огнеупоров – специальные контейнеры, обеспечивающие сохранность и облегчающие погрузку и разгрузку. Важно проследить, чтобы кирпичи не бились друг о друга и не контактировали с деталями транспорта. Для транспортировки мертелей и порошков применяются контейнеры и бумажные мешки. Допустима также перевозка навалом, но в этом случае необходимо, чтобы пол вагона был чистым.

Если для временного хранения используется полузакрытый склад, шамотные и динасовые огнеупоры можно складировать только летом. Для хранения огнеупорных порошков и мертелей могут использоваться только закрытые помещения и специальные закрома.

Область применения

Огнеупоры в виде неформованных материалов или штучных изделий востребованы в таких областях, как:

1. стекольная и цементная промышленность;
2. черная и цветная металлургия;
3. энергетика;
4. авиа- и ракетостроение (двигатели и термостойкие покрытия);
5.  атомная промышленность;
6. производственные и учебные лаборатории (футеровки муфельных печей и огнеупорная посуда).

Огнеупорные материалы в неформованном виде применяются в качестве защитного покрытия в:

• промышленных печах для нагрева и обжига сырья (высокоглиноземистые смеси, шамот);
• печах для коксования (обмазки);
• ковшах для розлива стали и чугуна (магнезиальные, кремнеземные, высокоглиноземистые массы);
• электроиндукционных печах (периклазовые, корундовые торкрет-массы);
• мартеновских и дуговых печах (огнеупорные металлургические порошки).

Огнеупорные материалы в формованном виде широко применяются для:

• формирования футеровки и подовых оснований, стен, сводов, других элементов металлургических печей, конвертеров и котлов теплоэлектростанций;
• создания футеровки реакторов атомных электростанций;
• изготовления сверхтермостойких покрытий на рабочих поверхностях авиационных и ракетных двигателей.

Сплошной слой из неформованного огнеупора также наносится на кладку из огнеупорных кирпичей, что позволяет увеличить толщину защиты. Такой «пирог» обладает более высокой теплоизолирующей способностью и огнестойкостью.

Достоинства и недостатки огнеупорного материала

В ракетостроении, создании различных космических аппаратов, двигателестроении, авиационной промышленности, производстве ответственных деталей газовых турбин и других областях получили широкое применение жаропрочные стальные сплавы, которые выдерживают эксплуатацию при температуре, достигающей и даже превышающей +7 000 °С. Их прокат занимает до половины всего объема выпускаемых высокотехнологичных типов стали.

Производство подобных сплавов – крайне сложный и дорогостоящий технологический процесс, для которого требуется специальное оборудование и квалифицированный персонал. Дороговизна жаропрочных типов стали ограничивает сферу их применения исключительно высокотехнологичными областями промышленного производства.

Марки жаростойких и жаропрочных типов стали

В зависимости от особенностей кристаллической структуры жаропрочные виды стали бывают:

1. мартенситными;
2. аустенитными;
3. мартенситно-ферритными;
4. перлитными.

Жаростойкие типы стали делятся на:

• ферритныеи;
• мартенситные или аустенитно-ферритные.

Среди мартенситных стальных сплавов наиболее широко применяются:

• Х5 (для изготовления труб, эксплуатация которых не предусматривает температуру выше +650 °С);
• Х5М, Х5ВФ, 1 Х8ВФ, Х6СМ, 1 Х12Н2ВМФ (из этих сплавов изготавливают детали, эксплуатация которых осуществляется при температуре от +500 °С до +600 °С в течение 1 000–10 000 часов);
• 3Х13Н7С2 и 4Х9С2 (эти сплавы выдерживают эксплуатацию при температуре от +850 °С до +950 °С и применяются при изготовлении клапанов для ДВС);
• 1Х8ВФ (изделия из этого сплава, в частности, детали паровых турбин, могут работать при температуре до +500 °С в течение 10 000 часов);
• Х6С;
• Х7СМ;
• Х6СМ;
• Х9С2;
• Х10С2М;
• Х 13Н7С2.

В составе жаростойких ферритных стальных сплавов присутствует 25–33 % хрома, который определяет их свойства. После отжига такие виды стали приобретают мелкозернистую структуру. Наиболее широко применяются:

• 1 Х12СЮ;
• Х17;
• Х18СЮ;
• 0Х17Т;
• Х25Т;
• Х 28.

Под действием температуры более +850 °C зерно становится крупнее, что приводит к повышению хрупкости.

Жаропрочные нержавеющие стальные сплавы используются для изготовления:

• тонколистового проката;
• бесшовных труб;
• агрегатов для химической промышленности и производства продовольственных товаров.

Наиболее популярные сорта жаропрочной стали:

• Х6СЮ;
• 1Х13;
• 1 Х11МФ;
• 1Х12ВНМФ;
• 1 Х12В2МФ;
• 2 Х12ВМБФР.

Такие сплавы содержат от 10 до 14 % хрома и ряд легирующих элементов (Va, W, Mo).

Самые востребованные жаростойкие сплавы

Сегодня среди жаростойких стальных сплавов наиболее востребованы типы с аустенитной структурой, при выплавке которых пользуются двумя видами уплотнителей – интерметаллическим и карбидным. Благодаря данным добавкам сталь приобретает особые свойства, которые послужили причиной ее широкого применения в промышленности.

Различают два вида аустенитных сплавов:

1. дисперсионно-твердеющие (марки Х12Н20Т3Р, 0Х14Н28В3Т3ЮР, 4Х14Н14В2М, 4Х12Н8Г8МФБ) – применяются в производстве деталей турбин и клапанов двигателей;
2. гомогенные (марки Х25Н20C2, 1Х14Н16Б, Х23Н18, Х25Н16Г7АР, Х18Н10T, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12T) – получили широкое применение в производстве деталей, эксплуатация которых связана с большими нагрузками.

Высокая жаропрочность аустенитно-ферритных стальных сплавов в сочетании с хрупкостью обусловили их применение при производстве деталей, которые эксплуатируются при температуре, достигающей +1 150 °С, но не подвержены воздействию больших механических нагрузок.