Пригодность тех или иных огнеупоров в каждом отдель­ном случае оценивается в зависимости от их основных физических и рабочих свойств.

Рабочими называют свойства огнеупоров, удовлет­воряющие требованиям, предъявляемым в данном кон­кретном случае. Основными свойствами огнеупоров яв­ляются огнеупорность, термическая стойкость, химичес­кая стойкость, деформация под нагрузкой при высокой температуре и постоянство формы и объема, пористость, газопроницаемость, теплопроводность, электропровод­ность.

Огнеупорность

Огнеупорностью называется способ­ность материалов выдерживать высокие температуры, не деформируясь под действием собственного веса. При нагреве огнеупорный материал вначале размяг­чается вследствие плавле­ния его легкоплавкой со­ставляющей. При дальней­шем нагреве начинает пла­виться основная масса, и вязкость материала посте­пенно уменьшается. Процесс плавления огнеупоров выражается в постепенном переходе из твердого состояния в жидкое, причем температурный интервал от начала размягчения до рас­плавления иногда достигает нескольких сот градусов. Поэтому для характеристики огнеупорности пользуются температурой размягчения.

Определение огнеупорности с помощью пироскоповДля этой цели при определении огнеупорности мате­риалов используются керамические пироскопы (ПК). Пироскопы представляют собой трехгранные усеченные пирамиды высотой до 6 см с основанием в виде равно­стороннего треугольника со сторонами, равными 1 см.

Каждому пироскопу соответствует определенная темпе­ратура размягчения, т. е. температура, при которой пи­роскоп размягчается настолько, что вершина его каса­ется подставки (рис. 84). В маркировке пироскопов ука­зывается его огнеупорность, уменьшенная в десять раз. Для определения огнеупорности материала из него изготавливают пирамидку по размерам пироскопа. Ис­пытуемый образец вместе с несколькими пироскопами разных номеров устанавливают на подставке и поме­щают в электрическую печь. Испытание на огнеупор­ность сводится к наблюдению за размягчением (паде­нием) образцов сравнительно с пироскопами при определенных условиях нагрева. Огнеупорность материала обозначается номером того пироскопа, с которым обра­зец упал одновременно.

Деформация под нагрузкой при высоких температу­рах

В кладке печи огнеупоры испытывают в основном сжимающее усилие, увеличивающееся при нагреве пе­чи. ДляЗависимость между деформацией огнеупоров под нагрузкой и температурой оценки механической прочности огнеупоров обычно определяют за­висимость изменения величины деформа­ции от температуры при постоянной на­грузке (рис. 85).

Испытания прово­дят на цилиндричес­ком образце высотой 50 и диаметром 36 мм при постоянной на­грузке 1,96•10Па. Результаты испытания представляют в виде графика зависимости изменения высоты об­разца от температу­ры. Для характеристики деформации отмечают темпе­ратуру начала размягчения, когда высота образца уменьшается на 4%, температуру, соответствующую изменению высоты на 40%, и температурный интервал размягчения, представляющий разность этих двух тем­ператур.

Постоянство формы и объема

При нагреве огнеупо­ров в печах происходит изменение их объема под влия­нием двух факторов — термического расширения и усад­ки (или роста). Термическое расширение большинства огнеупоров невелико. Гораздо значительнее изменение объема огнеупора при высоких температурах за счет происходящих превращений. Так, шамотные изделия дают усадку в результате образования некоторого ко­личества жидкой фазы и уплотнения черепка. Обычно это уменьшение объема бывает больше, чем его терми­ческое расширение, и приводит к увеличению швов. Динасовые изделия увеличивают объем при нагреве вследствие дополнительных процессов перекристаллиза­ции. Рост объема изделия в процессе службы способствует уплотнению швов кладки. Изменение объема огне­упоров оценивают при нагревании точно измеренных образцов в печи.

Термическая стойкость

Термической стойкостью на­зывается способность огнеупоров не разрушаться при резких изменениях температуры. Это особенно важно для огнеупоров, работающих в печах периодического действия. Термическая стойкость огнеупоров тем выше, чем больше коэффициент теплопроводности материала, его пористость и размер зерен и чем меньше темпера­турный коэффициент линейного расширения, плотность, размеры изделия и изменения объема при аллотропи­ческих превращениях.

Для определения термической стойкости использу­ют образец в форме кирпича. Образец нагревают 40 мин при 850° С, затем охлаждают 8— 15 мин. Цикл нагрева и охлаждения называется теплосменой. Охлаждение может быть только на воздухе (воздушные теплосмены) или сначала в воде 3 мин, затем на воздухе 5— 10 мин (водяные теплосмены). Нагрев и охлаждение проводят­ся до тех пор, пока потеря массы образца (из-за отка­лывания кусков) не достигнет 20%. Термическая стой­кость оценивается количеством выдержанных теплосмен.

Химическая стойкость

Под химической стойкостью огнеупорных материалов понимается способность их противостоять разрушению от химического и физическо­го воздействия образующихся в печи продуктов — ме­талла, шлаков, пыли, золы, паров и газов. Наибольшее действие на огнеупоры в плавильных печах оказывают шлаки. По отношению к действию шлаков огнеупоры могут быть разделены на три группы — кислые, основ­ные и нейтральные.

Кислые огнеупоры устойчивы к кислым шла­кам, содержащим большое количество SiO2 , но разъеда­ются основными шлаками. Кислым огнеупором являет­ся динас. Динас устойчив к действию окислительных и восстановительных газов.

Основные огнеупоры устойчивы к действию основных шлаков, но разъедаются кислыми. К ним от­носятся огнеупоры, содержащие известь, магнезию и щелочные окислы (доломит, магнезит и др.).

Нейтральные (промежуточные) огне­упоры, в состав которых входят аморфные окислы, ре­агируют как с кислыми, так и с основными шлаками, нв значительно меньшей степени, чем кислые и основные. К ним относится хромистый железняк, содержащий в качестве основной составляющей FeO·Cr2O3.

Шлакоустойчивость

Шлакоустойчивость огнеупоров зависит от скорости химических реакций огнеупора со шлаком и от вязкости шлака. При вязких шлаках и малой скорости реакций огнеупорное изделие может работать хорошо. С повы­шением температуры скорость химических реакций уве­личивается, а вязкость шлаков уменьшается, поэтому даже небольшое повышение температуры (на 25—30° С) приводит к существенному увеличению коррозии огнеупоров. Пористые изделия с открытыми порами ме­нее шлакоустойчивы, чем более плотные. Наружная гладкая поверхность корки кирпича лучше сопротивля­ется действию шлаков, чем шероховатая поверхность изломов. Трещины в изделии также понижают его шлакоустойчивость.

Для определения шлакоустойчивости применяют два метода — статический и динамический. При статическом методе в огнеупорном изделии высверливают цилиндри­ческое отверстие, в которое насыпают тонкоизмельченный шлак. Изделие нагревают в печи до его рабочей температуры (но не ниже 1450° С) и выдерживают при этой температуре 3—4 ч. О шлакоустойчивости судят качественно по степени растворения изделия в шлаке и глубине его проникновения в изделие. При динамиче­ском методе на испытуемый огнеупорный кирпич, уста­новленный в печи вертикально, при температуре 1450° С в течение 1 ч сыпят порошкообразный шлак (1 кг). Расплавляясь и стекая по поверхности кирпича, шлак проедает в нем борозды. Шлакоразъедаемость определя­ется по потере объема (в кубических сантиметрах) с учетом дополнительной усадки кирпича.

Теплопроводность

Зависимость меж­ду коэффициентом тепло­ проводности огнеупоров и температуройВ зависимости от целей, для ко­торых используется огнеупор, теплопроводность его должна быть высокой или низкой. Так, материалы, пред­назначенные для футеровки печей, должны иметь низ­кую теплопроводность для уменьшения тепловых потерь в окружающее пространство и повышения к. п. д. печи. Однако материалы для изготовления тиглей и муфелей должны иметь высокую теплопроводность, уменьшаю­щую перепад температуры в их стенках.

При повышении температуры теплопроводность большинства огнеупоров возрастает (рис. 86). Исключе­ние составляют магнезитовые, и карборундовые изделия, теплопроводность которых при этому меньшается. Тепло­проводность всех огнеупоров уменьшается с увеличением пористости. Однако при высокой температуре (выше 800—900° С) увеличение пористости мало влияет на теплопроводность. Приобретают влияние конфигурация и размер пор, определяющие конвективную теплопере­дачу внутри пор. Увеличение содержания кристалличе­ской фазы в материале приводит к увеличению тепло­проводности.

Электропроводность

Электропроводность является определяющим параметром огнеупоров, применяемых для футеровки электрических пе­чей. При нормальных температу­рах обычно все огнеупорные ма­териалы являются хорошими ди­электриками. При повышении температуры их электропровод­ность быстро возрастает, и они становятся проводниками. Элек­тропроводность материалов с большой пористостью при высо­ких температурах уменьшается.

Теплоемкость

Теплоемкость огнеупоров оп­ределяет скорость нагрева и ох­лаждения футеровки и затраты тепла на нагрев. Это имеет осо­бенно важное значение при ра­боте печей периодического дейст­вия. Теплоемкость зависит от хи­мико-минералогического состава огнеупоров. Определя­ется она калориметрическим методом. Теплоемкость обычно незначительно растет с увеличением температу­ры. Среднее ее значение лежит в пределах 0,8—1,5 кДж/(кг·К).

Пористость

Все огнеупорные изделия пористы. Раз­мер пор, их структура и количество весьма разнообраз­ны. Отдельные поры либо соединены между собой и с атмосферой, либо представляют собой замкнутые прост­ранства внутри изделия. Отсюда различают пористость открытую, или кажущуюся, при которой поры сообща­ются с атмосферой, пористость закрытую, когда поры не имеют выхода наружу, и пористость истинную, или общую, т. е. суммарную.

Открытую пористость вычисляют на основе данных измерения водопоглощения и объемной массы огнеупор­ных изделий.

Газопроницаемость

Газопроницаемость зависит от природы огнеупора, величины открытой пористости, од­нородности структуры изделия, температуры и давления газа. С повышением температуры газопроницаемость огнеупоров понижается, так как объем газа при этом возрастает и увеличивается его вязкость. Огнеупоры должны обладать возможно меньшей газопроницае­мостью, особенно те, которые применяются для изготов­ления реторт, муфелей, тиглей. Наибольшая газопрони­цаемость у шамотных изделий, наименьшая у динаса.

Плотность и объемная масса

Плотность материала — это отношение массы образца к занимаемому им объе­му за вычетом объема пор. Объемная масса — это от­ношение массы высушенного при 105° С образца к зани­маемому им объему, включая объем пор.

Внешний вид и структура

Все огнеупорные изделия делятся на сорта в соответствии с разработанными стандартами. Сорт огнеупорных изделий устанавливают по величине отклонения от установленных размеров, кривизне, отбитости углов, притупленности ребер, на­личию отдельных выплавок, ошлакованности, просечкам и трещинам. Отклонения в размерах допускаются в пре­делах норм, указанных в соответствующих стандартах в зависимости от сортности. Кривизна изделий определя­ется стрелой прогиба. Очевидно, что чем больше будет кривизна, тем менее плотной окажется кладка. Отбитость углов и притупленность ребер также отрицатель­но влияют на качество кладки.

Выплавка представляет собой местное оплавление поверхности огнеупора с образованием «каверны». При­чиной выплавок является недостаточно хорошее пере­мешивание шихты при изготовлении огнеупора. В ме­стах выплавок происходит быстрое разрушение шлака­ми даже при сравнительно низкой температуре, поэтому число выплавок на поверхности изделия строго ограни­чивается.

Ошлакованность образуется на поверхности изделия в виде наростов как результат загрязнения ее при об­жиге песком, глиной и т. д. Наличие ошлакованности на поверхности изделий также ограничивается.

Просечки (разрывы шириной до 0,5 мм) и трещины (разрывы шириной больше 0,5 мм) на поверхности ог­неупорных изделий увеличивают коррозию шлаками и уменьшают их механическую прочность. Они образуют­ся в процессе обжига при неосторожном нагреве илиохлаждения изделия.

Огнеупорный материал хорошего качества должен иметь в изломе однородное строение без пустот и рас­слоений. Зерна разных фракций должны равномерно распределяться по поверхности излома, не выпадая и легко не выкрашиваясь.

При выборе того или иного материала необходимо руководствоваться основными требованиями к нему в каждом конкретном случае. Так, материал для стенок и свода плавильной печи должен прежде всего обладать высокой механической прочностью. Для откосов печи следует применять огнеупор, более стойкий к действию шлаков, образующихся при данном металлургическом процессе.

При выборе огнеупоров следует учитывать их стои­мость. Сравнительная стоимость 1 т некоторых огнеупор­ных кирпичей 1-го сорта по отношению к стоимости ди­насового кирпича следующая:

сравнительная стоимость

Транспортировка и хранение огнеупорных изделий

При доставке к потребителю правильные транспортиров­ка и хранение готовых огнеупорных изделий обеспечи­вают их сохранность, хорошее качество кладки и неиз­менность рабочих характеристик. При перевозке в ва­гонах огнеупорный кирпич укладывается рядами плотно по всей площади вагона с расклиниванием. Между ря­дами прокладывается солома или древесная стружка. При перевозке в автомашинах кирпич также плотно ук­ладывается рядами с расклиниванием деревянными клиньями. В последнее время применяется транспорти­ровка кирпича в контейнерах, что улучшает его сохран­ность и облегчает погрузочно-разгрузочные работы. При транспортировке кирпичей к рабочим местам на транс­портерах и лотках они не должны ударяться друг о друга и о детали транспортирующих устройств.

Мертели и порошки перевозят в контейнерах, бумаж­ных мешках, или навалом в чистых вагонах.

Склады для хранения огнеупорных изделий должны быть закрытыми. При хранении на открытом воздухе вследствие попеременного увлажнения и высыхания, замерзания и оттаивания рабочие характеристики ог­неупоров ухудшаются. Уменьшение сопротивления сжа­тию после года хранения на открытом воздухе состав­ляет для шамота 27—30%, для динаса 35%, для магне­зитовых изделий 30%- Допускается в летнее время хра­нить шамотные и динасовые изделия в полузакрытых складах. Огнеупорные порошки и мертели хранят в за­крытых складах в отдельных закромах.