Ключевые свойства огнеупорных материалов: понимание теплопроводности, прочности на сжатие и пористости

Решающее значение для идентичности самого огнеупорного материала имеет то, как он работает при повышенных температурах, но это не единственная область, где огнеупор должен преуспеть. Для некоторых применений требуются повышенные уровни прочности на сжатие и специфические профили пористости. Дизайн современных литейных процессов в значительной степени опирается на понимание этих факторов, чтобы обеспечить надежную и продуктивную систему.

Функция Pic Огнеупорный

Знакомство

Огнеупорные материалы (огнеупоры) - это материалы, которые по своему химическому составу очень устойчивы к повышенным температурам, что делает их незаменимыми инструментами в производстве черных и цветных металлов, высокоточных отливок и различных плавильных применений. Попадая в три широкие категории по химической природе - кислотные, основные и нейтральные - и далее классифицированные по размеру и форме, широкий выбор огнеупорных материалов означает, что они находят самое широкое применение во всем мире. Производство огнеупоров обычно следует последовательности «обработка сырья, формование и последующее обжиг» с различными доступными типами формования.

Ниже приведен широкий обзор некоторых распространенных огнеупорных материалов и их нормальных рабочих температур и информации о прочности на сжатие (5L, M, N)

Материал Рабочая температура (°C) Прочность на сжатие (МПа)
Шамотный кирпич (плотный) 1 400 макс. 15 - 60
Шамотный кирпич (60% пористый) 1,400 - 1,600 10 - 20
Магнезия-хромит 60/40 (13 - 22 % пористость) 1,600 30 - 80
Кремнезем (песок, 23% пористости) 1,630 10
магнезит 1,600 - 1,800 35 - 60
Хромит (14-21% пористый) 1,650 25 - 95
Магнезия-хромит 35/65 (25 -60 % пористость) 1,650 25 - 60
Глина из карбида кремния 1,700 80
Форстерит (20% пористости) 1,730 22
Высокий уровень глинозема (18% пористости) 1,800 + 55
Огнеупорно-цемент-признакам-пик

Теплопроводность

Возможно, «главной цифрой», когда речь заходит о огнеупорных материалах, является то, насколько высокую температуру они могут выдержать и сколько тепла они могут поглотить, чтобы не повредить другие инструменты (например, в случае тундишевых футеровок для выплавки алюминия) (5C).

На теплопроводность влияет несколько факторов, но среди них лидируют температура плавления (которая диктуется химическим составом самого огнеупора) и пористость (подробнее ниже). Хромит и цирконий являются распространенными примерами широко используемых огнеупорных материалов и имеют температуру плавления от 1 700 до 2 000 ° C и значительно превышающую 2000 ° C соответственно. Механическая или сжимающая прочность редко способствует теплопроводности.

Дальнейшая классификация огнеупорных материалов проводится по рабочим температурам, которые определяются пористостью, в основном:

Термостойкость до 1 100 °C
Огнеупорный до или равный 1 400 °C

Высокая огнеупорная до 1 700 °C

Сверхвысокое огнеупорное Более 1 700 °C

Пирометрические конусные эквиваленты (PCE) являются мерами того, насколько керамика будет размягчатся при температуре, но не под нагрузкой. Огнеупоры могут быть сгруппированы по значению PCE, от сверхвысоких через высокие и промежуточные и низкие, соответствующие значениям 33-38, 30-33, 28-30 и 19-28 соответственно. Низкое значение PCE означает, что огнеупор имеет более низкую температуру, при которой он может работать до деформации и риска растрескивания. Подробное обсуждение значений PCE выходит за рамки данной статьи.

красная горячая сталь, изготовленная из зеленых песчаных форм

Прочность

Как и в случае с любым промышленным процессом, то, сколько технического обслуживания требуется от системы, является решающим фактором наряду с долговечностью. Само собой разумеется, что любой материал, который физически прочнее (с точки зрения прочности на сжатие или иным образом), будет служить дольше без разрушения, что снижает требования к техническому обслуживанию и повышает срок службы системы (5B). Поскольку некоторые огнеупорные материалы являются относительно дорогими, необходимость приостановки операции литья металла, например, для технического обслуживания, является задачей, которая добавляет время, стоимость и сложность.

Прочность на сжатие изменяется в зависимости от температуры, поэтому это один из руководящих принципов при выборе огнеупоров. «Ползучие» испытания уже давно проводятся на огнеупорных материалах, причем испытания применяют давление при повышенных температурах на огнеупорные материалы. «Ползучесть» в этом смысле относится к понятию расширения или сжимания (и, следовательно, упругости, но прочность на изгиб выходит за рамки этой статьи), причем большее движение в значительной степени указывает на ослабление при любой конкретной температуре или давлении. Результаты испытаний показывают, что огнеупорные кирпичи высокой чистоты кремнезема превосходят некоторые типы огнеупорных кирпичей, изготовленных из огнеупорной глины при умеренных температурных испытаниях до 1000 ° C (5A).

Как видно из примеров в таблице выше, прочность на сжатие мало влияет на огнеупорность.

Рассматривая примеры, когда
огнеупоры включают угольную пыль,
например, многие огнеупорные кирпичи, было заявлено, что теплопроводность уменьшается с увеличением прочности на сжатие и размера пор (т.е. более пористых) (5H). При рассмотрении огнеупорных связующих веществ (то есть материалов, которые удерживают вместе огнеупорный материал до обжига), использование антрацита в качестве такого связующего намного лучше с точки зрения добавления прочности на сжатие, чем смолистый или волокнистый органический материал (5K).

Прочность на сжатие также важна при изготовлении огнеупора, а не только при развертывании огнеупора. Следует учитывать прочность на сжатие, если используется метод прессования огнеупорных кирпичей. Практически отсутствует риск возникновения проблем в процессе прессования, если сам огнеупорный материал устойчив к самым высоким давлениям.

печи, которые могут использовать угольную пыль
Литейного

Пористость

Пористость - это мера того, насколько пористым является материал, т.е. сколько небольших каналов присутствует по всей массе материала, которые могут пропускать жидкости или газы. Высокопористые материалы ценятся во многих промышленных областях, не в последнюю очередь в катализе, где высокопористые цеолиты считаются одними из самых продуктивных катализаторов, но также пористость играет ценную роль в разработке и реализации огнеупорного материала.

Как правило, чем выше уровень пористости в материале, тем менее он плотный и тем беднее тепловой проводник. Оба эти явления объясняются отверстиями в объемном материале, заполняемыми воздухом (или другим газом - газы являются плохими проводниками тепла). Таким образом, само собой разумеется, что больше отверстий означает больше воздуха, что означает более низкую теплопроводность (5I). Это в сочетании с материалом, который уже имеет очень высокую толерантность к температуре, делает его отличным огнеупорным материалом. Еще одним преимуществом более пористых материалов является снижение транспортных расходов благодаря их меньшему весу на данный объем единицы.

Тундишовые накладки являются яркими примерами того, где важна пористость, где часто приподнятые конструкции должны быть не такими тяжелыми, чтобы они могли разрушиться под нагрузкой. По этой причине здесь используются обычные магнезиа
хромовые огнеупоры,
среди других причин (5D). Их пористые структуры помогают в очистке расплавленного металла, предотвращая окисление и поглощая неметаллические примеси при прохождении расплавленного металла (5F). Пористость также является важным фактором для огнеупорной штукатурки, которая не может быть тяжелой или очень плотной, иначе она просто не будет хорошо функционировать в качестве «клея» для связывания огнеупорных кирпичей или залатать потрескавшиеся огнеупоры (5E).

Кроме того, в случае отливок из зеленого песка пористость
огнеупорного материала на основе хрома
имеет решающее значение для выхода накопленных газов (5G) - неспособность достичь этого может привести к поверхностным дефектам или смачиваемости. Пористость, как уже упоминалось, способствует теплоизоляции, так как воздух является проводником плохой температуры. Кроме того, широко признано, что пористость напрямую связана с проницаемостью. Проницаемость является одним из основных факторов, определяющих долговечность огнеупорных материалов (5J).

Подводя итог, можно сказать, что сеть однородных, малых и равномерно распределенных пор является предпочтительной и обеспечивает самую низкую теплопроводность.

огнеупорная-угольная пыль

Идеализированные огнеупоры

Объединив приведенные выше знания, можно сделать вывод о том, каким может быть идеализированный огнеупорный материал. Конечно, материал должен быть химически составлен из материала с высокой температурой плавления; отлично противостоять тяжелым весам и сильным нагрузкам, оказываемым на него, не ломаясь; и быть относительно пористыми, чтобы эффективно рассеивать тепло.

Следует отметить, что выбор огнеупора на основе химической идентичности, прочности на сжатие и пористости должен быть сделан вместе с природой огнеупора (кислотный, основной, нейтральный) и тем, подходит ли форма огнеупора для процесса в целом. К счастью, современные технологии производства позволяют обеспечить широкое разнообразие материалов практически любой формы и размера, чтобы идеально подходить для данной промышленной задачи при повышенной температуре.

Консультирование по оксиду марганца

  • Выбор огнеупорных материалов зависит от многих факторов, включая, но не ограничиваясь ими, термическое сопротивление, прочность на сжатие и пористость.
  • Эти факторы часто взаимозависимы и должны учитываться в целом при выборе огнеупорного материала или составного огнеупорного материала.
  • Высокотермические материалы являются очевидным первым выбором для огнеупорного материала, так как это высокотемпературная среда, в которой работают почти все огнеупоры.
  • Материалы с высокими значениями прочности на сжатие полезны, потому что они могут быть использованы практически для любого процесса (особенно в металлическом литье), где на огнеупор возлагаются большие весовые усилия - повышенная способность к экстремальным нагрузкам означает, что материал не сломается со временем, обеспечивая долговечность
  • Высокопористые материалы ценятся из-за их низкого отношения веса к объему, и, кроме того, сам по себе пористый материал означает, что материал является более бедным проводником (т. Е. Лучшим изолятором тепла).
chrome_sand
coal_dust
Хромитная мука в горшке

Ссылки

1 M. H. Van de Voorde and G. W. Meetham, Огнеупоры и изоляционные материалы,в: Материалы для высокотемпературных инженерных применений, Springer, Гейдельберг, 2000

2 Огнеупорные и изоляционные материалы, в: Эффективное использование энергии (2-е изд.),I. G.C. Dryden (ed), Butterworth, London, 1982

3 Огнеупорные материалы; Карманное руководство: Дизайн, свойства, тестирование, Г. Ручка (изд.), Вулкан-Верлаг, Эссен, 2008

4 Р. Р. Миллер и др., Дж.Хем. Англ. Данные, 1962, 7, 251

5 А. И. Наценко и др., Рефрактроэс, 1983,24, 215

6 Л. Э. Монг, Упругое поведение и ползучесть огнеупорных кирпичей при растягивающих и сжимающих нагрузках, Министерство торговли США, Вашингтон, округ Колумбия, 1946

7 M. H. Rahman et al., Procedia Eng., 2015, 105, 121

8 Y. Li et al., The Mechanical Performance Experiments of Blast Furnace Hearth Ramming Material and Carbon Brick Refractory Mortar in 2nd International Conference on Material Engineering and Application, Shanghai, 2015

9 К. Касоя и др., J. Phys. Хим. Ref. Данных 1985, 14, 947

10 Р. Кромарти и др., Дж.С. Афр. Inst. Мин. Metall., 2014, 114, 4

11 S. Aminorroya et al., Basic Tundish Powder Evaluation for Continuous Casting of Clean Steel, in AIS Tech - The Iron & Steel Technology Conference and Exposition,Cleveland, 2006

12 М. Калантар и др., Дж. Англ. Перфорация., 2010, 19, 237

13 S. Dalquist and T. Gutowski, Анализ жизненного цикла традиционных производственных технологий: Литье песка в 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition,2004, Анахайм, США

14 Г. Р. Ойснер и Дж. Т. Шапланд, Проницаемость доменных огнеупоров на шестнадцатом заседании Американского керамического общества,Питтсбург, 1958