Огнеупорными материалами называются материалы, способные переносить воздействие высоких температур, сохраняя при этом форму и размеры. Огнеупорных материалов с универсальными свойствами не существует. Каждый вид огнеупорных материалов отвечает только определенным требованиям. Расход огнеупоров зависит от их качества: чем выше качество огнеупоров, тем дольше они служат и тем меньше их удельный расход на единицу получаемой продукции при металлургическом процессе.

Для правильного выбора и применения любых материалов необходимо знать их физико-химические свойства. Эти свойства определяются государственным стандартом и техническими условиями и указываются в сертификатах и паспортах или определяются в заводских и строительных лабораториях. Ниже кратко рассматриваются основные физико-химические свойства огнеупорных материалов.

Огнеупорность ю называется свойство материалов сохранять форму и размеры под воздействием высоких температур. Огнеупорность материала определяется температурой размягчения образца, при которой он «падает». Падением считается момент, когда образец и пироскопический конус, наклоняясь, одновременно касаются вершинами подставки. Огнеупорность пироскопического конуса, т. е. температура, при которой он падает, определяется его номером. Огнеупорность изделий зависит почти исключительно от химического состава сырья, из которого они изготовлены.

В качестве показателя, характеризующего поведение огне-упоров при воздействии на них механической нагрузки в условиях высоких температур нагрева, принята температура начала размягчения (деформации) под нагрузкой 2 кг/см2. Обычно размягчение под нагрузкой начинается ниже температуры, определяющей огнеупорность материала. При этом температура размягчения под нагрузкой может быть различной у материалов разных видов с одной и той же огнеупорностью.

Пористость материалов разделяется на кажущуюся и истинную. Пористостью кажущейся называется отношение объема, занятого в образце открытыми порами, сообщающимися друг с другом и атмосферой, к общему объему образца, выраженное в процентах. Пористостью истинной называется выраженное в процентах отношение объема всех пор, открытых и закрытых, к объему образца.

Объемный вес выражается отношением веса сухого образца материала к его объему.
Термостойкость огнеупорных изделий характеризует их способность не разрушаться при резких температурных колебаниях. Термостойкость определяется количеством теплосмен (нагревов и резких охлаждений), при котором уменьшение веса испытуемого образца в результате отходов от растрескивания не превысит предела, установленного стандартом.

Теплопроводность выражается коэффициентом теплопроводности, равным количеству тепла, выраженного в больших калориях, проходящего в 1 час через стенку площадью 1 м2 и толщиной 1 м, при разности температур внутренней и внешней поверхности стенки в 1° (размерность ккал/м2 час град). Теплопроводность возрастает с повышением температуры.

Газопроницаемость огнеупорных изделий характеризуется коэффициентом газопроницаемости, который выражается количеством воздуха в м3, проходящего через огнеупорное изделие площадью 1 м2 и толщиной 1 м в течение 1 часа, при разности давлений 1 мм вод. ст.

Теплоемкость выражается количеством тепла в больших калориях, необходимого для нагрева 1 кг вещества на t°. Размерность теплоемкости ккал/кг град.
Механическая прочность выражается пределом прочности при сжатии и имеет размерность кг/см2.
Огнеупорные материалы классифицируются на отдельные группы, виды и сорта.

По степени огнеупорности огнеупорные материалы подразделяются на огнеупорные (1580—1770°), высокоогнеупорные (1771—2000°) и огнеупорные высшей огнеупорности (огнеупорность выше 2000°).
По форме и размерам все виды огнеупорных изделий подразделяются на нормальный кирпич (прямой и клиновой), простые фасонные изделия, сложные фасонные изделия, особо сложные фасонные изделия и изделия лабораторного и промышленного назначения.

По внешнему виду в зависимости от трещиноватости, отбитости кромок и углов, точности размеров, правильности формы огнеупорные изделия подразделяются на І, II и III сор-та. Порошкообразные материалы разделяются по тонкости помола.
По химической природе огнеупоры разделяются на:
кислые, имеющие в качестве главного окисла SiО2 (кремнезем). Кислые огнеупоры стойки к кислотам и нестойки к основаниям (щелочам);
полукислые, имеющие два основных окисла (кремнезем и глинозем): SiО2 (не менее 65%) и Аl2Oз+ТiO2 (до 30%);
основные, имеющие в качестве главного окисла MgO или СаО, эти огнеупоры стойки к щелочам и нестойки к кислотам;
нейтральные, не имеющие ясно выраженных кислых или основных свойств.
По химикоминералогическому составу огнеупорные изделия подразделяются на следующие группы и виды.
1. Кремнеземистые, к которым относятся динасовый кирпич и кварцевое стекло.
Динасовый кирпич (ГОСТ 6024—51 и 4157—48) изготовляет¬ся из кварцевых пород в основном на известковой связке путем обжига. Огнеупорность 1690—1710°. Предел прочности при сжатии 175—225 кг/см2. Содержание Si02—92—96%. В зависимости от физико-химических свойств динасовый кирпич делится на классы:динас особого назначения, I и II классы. Динас особого назначения и I класса имеют один сорт, динас II класса — два сорта. Применяется динасовый кирпич в зонах воздействия кислых шлаков и высоких температур, а в зонах с температурой ниже 600°, имеющих резкие температурные колебания, его нельзя применять. Черный динас, получающийся в результате добавки в шихту 2—3% молотого кислого мартеновского шлака и до 1% коксовой или древесноугольной пыли, имеет несколько лучшую термостойкость, чем обыкновенный.
Динасовый кирпич широко применяется в мартеновских печах. Из него выкладываются главные своды, вертикальные каналы, стены шлаковиков, верхняя часть стен регенераторов и насадок, а также подины и стены ванны кислых печей.
Огнеупоры, не имеющее применения в кладке мартеновских печей, в настоящем разделе не рассматриваются.
2. Алюмосиликатные изделия, к которым относятся полукислые, шамотные и высокоглиноземистые изделия.
Полукислые изделия (ГОСТ 6024—51 н 4873—49) изготовляются из кварцевых пород на глиняной или каолиновой связке или из естественных глин или каолинов, отощенных кварцевым песком. Содержание SiO2 — от 65 до 90%, Аl2O3—ниже 30%. огнеупорность — от 1610 до 1710°. По отклонениям в размерах и по признакам внешнего вида делятся на два сорта. Предел прочности при сжатии 100—150 кг/см2. Применяются в марте-новских печах для кладки низа стен регенераторов и футеровки боровов.
Шамотные изделия (ГОСТ 6024—51 и 390—54) изготовляются из огнеупорных глин или каолина с отощением их шамотом, т. е. измельченной, обожженной намертво огнеупорной глиной.’ Содержание Аl2O3+ТiO2 В изделиях общего назначения — не менее 30%, а в изделиях специального назначения — до 45%. По огнеупорности делятся на три класса: класс А с огнеупорностью 1730°, класс Б—1670° и класс В—1610°. Предел прочности при сжатии 100—125 кг/см2. Классы А и Б имеют три сорта, а класс В имеет два сорта. Шамотные изделия обладают хорошей термостойкостью. Шамотный кирпич в мартеновских печах применяется для выстилок, кладки нижней части регенератора и насадок, а также боровов. Многошамотные изделия отличаются от шамотных повышенным содержанием шамота (80—96%). Многошамотные изделия с повышенным содержанием глинозема (не менее 40%) применяются для кладки верх¬них рядов насадок мартеновских печей.
Высокоглиноземистые изделия изготовляются из минералов или искусственных материалов (бокситов, технического глинозема и пр.) с высоким содержанием Аl2Oз, на глинистой или иной связке методом формования и обжига или методом отливки из расплава. Изделия разделяются на классы по содержанию глинозема: 45—60%, 60—75% и выше 75%. Огнеупорность (в зависимости от класса) 1750—2000°. Изделия обладают высокой термостойкостью и шлакоустойчивостью. В мартеновских печах применяются для футеровки кессонов, кладки подвесных сводов регенераторов и верхних рядов насадки.
3. Магнезиальные изделия включают в себя магнезитовые, форстеритовые, доломитовые и шпинельные изделия.
Магнезитовые высокоогнеупорные (ГОСТ 4689—49) изделия изготавливаются из обожженного до спекания магнезита путем формовки и обжига. Содержание MgO у высокоогнеупорного магнезитового кирпича — не менее 91%, СаО — не более 3%; предел прочности 400 кг/см2\ огнеупорность — не ниже 2000°. По признакам внешнего вида и допускаемым отклонениям по размерам установлено два сорта магнезитового кирпича. Высокоогнеупорный магнезитовый кирпич применяется для устройства подин и стен рабочего пространства оcновых мартеновских печей.
Форстеритовые изделия (ЧМТУ 5127—55) изготовляются из горной породы дунита, обожженного или сырого, с добавлением обожженного магнезита. Основной особенностью форстеритово го огнеупора является стойкость при высоких температурах по отношению к окислам железа, а также высокая температура на¬чала деформации. Главными окислами форстеритового кирпича являются MgO и SiO2. Содержание MgO колеблется от 35 до г>5%, а отношение от 0,94 до 1,33%. Огнеупорность 1800—1900°, предел прочности при сжатии 200—800 кг/см2. Форcтеритовый кирпич применяется для кладки верхних рядов наcадок мартеновских печей.
4. Хромистые изделия, к которым относятся хромомагнезитовые и магнезитохромитовые изделия.
Хромитовые высокоогнеупорные изделия (ГОСТ 5381—50) изготавливаются из хромита и спекшегося магнезита. Физико¬химические показатели должны соответствовать следующим требованиям: содержание MgО — не менее 42%, содержание окиси хрома — не менее 15%; предел прочности при сжатии — не менее 250 кг/см2, огнеупорность — не менее 2000°. Изделия выпускаются I и И сортов. В мартеновских печах высокоогнеупорный хромомагнезитовый кирпич применяется для кладки вертикальных каналов и облицовки стен шлаковиков.
Магнезитохромитовые термостойкие изделия содержат 12— 18% окиси хрома и не меньше 60% обожженного магнезита. Предел прочности при сжатии 200—250 кг/см2. Изделия имеют огнеупорность не ниже 2000°, хорошую термостойкость (не менее 25 теплосмен) и хорошо противостоят действию основных шлаков и окислов железа. Термостойкий магнезитохромитовый кирпич применяется в главных сводах основных мартеновских печей и в сводах шлаковиков. Кирпич этого же вида, но с меньшим содержанием окиси хрома (8%) применяется для футеровки кессонов мартеновских печей. По признакам внешнего вида и допускаемым отклонениям от размера техническими условиями установлены I и II сорта.
А. Штучные изделия
Огнеупорная кладка мартеновских печей производится в основном из огнеупорного кирпича, марки которого приведены в табл.1.
Формы и размеры стандартных огнеупорных изделий дли кладки мартеновских печей приведены также в табл. 1.
Б. Порошкообразные материалы и растворы
Мертель шамотный и полукислый (ГОСТ 6137—52). По химическому составу мертель подразделяется на:
а) шамотный, содержащий Аl2Oз+TiO2 не менее 30%;
б) полукислый, содержащий Аl2Oз + ТiO2 от 20 до 30%.
По огнеупорности мертель подразделяется: шамотный на
четыре класса — высший (0), первый (I), второй (II) и третий (III); полукислый на два класса — второй (II) и третий (III).

По зерновому составу каждый класс мертеля делится на три группы: тонкого помола — Т, среднего помола — С; крупного помола — К.
Зерновой состав мертеля при просеивании его через сита должен соответствовать табл. 2.

Screenshot_7

Физико-химические показатели огнеупорных мертелей при-ведены в табл. 3.
Screenshot_8

Содержание в мертеле шамота и огнеупорной глины приведено в табл. 4.

Screenshot_9

Динасовый мертель (ГОСТ 5338—60) подразделяется на:
высокотемпературный — для печей с рабочими температурами более 1500°;
среднетемпературный — для печей с рабочей температурой в пределах 1350—1500°;
низкотемпературный — для печей с рабочей температурой от 1000 до 1350°.

Физико-химические показатели динасового мертеля приведены в табл. 5.

Screenshot_10

Магнезитовый порошок, применяемый для кладки насухо подины, передней и задней стен, а также торцовых откосов основных мартеновских печей, должен соответствовать требованиям ТУ 260 и ТУО 40. Содержание MgO должно быть не менее 85%, СаО и Si02 соответственно не более 6 и 5%. По зерновому составу, которым определяется крупность порошка, магнезитовый порошок разделяется на три марки: МПЭ (экстра), МПК (крупный) и МПМ (мелкий).

Зерновой состав, магнезитового порошка в зависимости от его марок приводится в табл. 6.

Screenshot_11

Необходимый для кладки размер зерен магнезитового порошка получается помолом и рассевом.
Огнеупорные растворы для кладки мартеновских печей в зависимости от их составляющих бывают следующими: шамотный и динасовый (глиняные), а также шамотно-глнноземистые воздушнотвердеющие на жидком стекле.
В зависимости от консистенции (подвижности) огнеупорные растворы бывают: густые — для кладки разбутовок, полугустые — для обыкновенных кладок, жидкие — для тщательных кладок.
Консистенция раствора зависит от количества воды в его составе и определяется глубиной свободного погружения (в см) в него стандартного конуса СтройЦНИЛа весом 100 г, изготовленного из латунного листа.

Классификация растворов по консистенции приведена в табл. 7

Screenshot_12

В. Жаростойкие бетоны
Жаростойкими бетонами называется группа безобжиговых искусственных материалов, созданная на основе минерального неогнеупорного вяжущего, с заполнителями из огнеупорных материалов, способная при длительном воздействии высоких температур сохранять в необходимых пределах свои физико-механические свойства.
По степени огнеупорности жаростойкие бетоны подразделяются на:
1) высокоогнеупорные бетоны — с огнеупорностью выше 1770°
2) огнеупорные бетоны — с огнеупорностью от 1580 до 1770°;
3) жароупорные бетоны — с огнеупорностью ниже 1580°.

При армировании жаростойких бетонов получается жаростойкий железобетон.
В промышленных печах жаростойкие бетоны применяются в виде монолитных или сборных конструкций, блоков и панелей. В обоих случаях конструкции могут быть бетонными и железобетонными.
В мартеновских печах применяется жароупорный бетон, который укладывается пока только в качестве разбутовки вокруг клапанов на боровах для повышения газоплотности этих конструкций.
Украинский научно-исследовательский институт огнеупоров экспериментировал с хромомагнезитовым и магнезитохромитовым бетоном на периклазовом цементе, блоки из которого он укладывал в стену рабочего пространства 55-т мартеновской печи. Опыт подтвердил стойкость таких бетонов, однако, по производственным условиям изготовление таких блоков затруднено, и наладить их выпуск в массовом порядке пока не представляется возможным. В настоящее время рассматривается вопрос о проектировании опытной мартеновской печи, выполняемой из жаростойких бетонов.

Потребность в материалах для некоторых типов мартеновских печей приводится в табл. 8

Screenshot_13