yandex.metrica
Огнеупорное производство

Шамот и шамотные изделия

Шамот — алюмосиликатный огнеупорный материал — представляет собой обожженную до постоянного объема, потерявшую пластич­ность массу из огнеупорной глины или каолина. Глиной называется продукт разрушения некоторых горных пород, главным образом гранита, гнейса, порфира. Получающийся при этом водный алюмосиликат Al2O3·2SiO2·2H2O, называемый каолинитом, является главной составной частью огнеупорных глин и каолинов. Каолины содержат меньше примесей, чем огнеупорные глины, поэтому используются для изготовления более качественных изделий.

Важнейшие свойства глин — пластичность, связующая способ­ность и спекаемость.

Пластичностью называется способность увлажненной глины в тестообразном состоянии принимать заданную форму, не изменяю­щуюся после прекращения давления и удаления воды. В зависимости от пластичности различают глины пластичные (жирные) и тощие.

Связующая способность — способность глины с добавлением не­которого количества непластичного материала в высушенном со­стоянии давать прочный материал. Пластичные глины обладают большей связующей способностью, чем тощие.

Вода в глинах содержится в виде гигроскопической, воды затворения и химически связанной. Гигроскопической называется вода, которую глина поглощает из окружающей среды. Воздушно-сухая глина всегда содержит гигроскопическую воду. Вода затворения — это добавляемое количество воды, которое соответствует оптимальной пластичности глины. Химически связанная вода входит главным образом в состав каолинитов.

При сушке вследствие частичной потери воды затворения изде­лия из огнеупорной глины уменьшаются в объеме на 12—15% при тощих глинах и на 25—30% при жирных. При нагреве глины до 150° С удаляются остатки воды затворения и гигроскопическая вода. При дальнейшем нагреве в интервале температур 450—650° С выде­ляется химически связанная вода, и пластичность полностью теряет­ся. Нагревание свыше 930° С сопровождается образованием муллита, при этом имеет место огневая усадка, которая необратима.

Спекаемость — способность глин при определенных температу­рах обжига образовывать плотный прочный черепок, называемый шамотом. Шамот не дает усадки и имеет высокие механическую проч­ность, шлакоустойчивость, химическую стойкость.

Огнеупорность глин зависит главным образом от их состава и лежит в пределах 1580—1770° С. На рис. 88 дана диаграмма состоя­ния системы SiO2 — Al2O3, которая показывает, что увеличение содержания глинозема свыше эвтектического состава повышает огнеупор­ность. Все примеси понижают огнеупорность глины. Особенно силь­ное понижение огнеупорности вызывают щелочи K2O и Na2O , поэтому содержание их в глинах выше 1 % нежелательно.

Диаграмма состояния системы SiO2—Al2O3

В зависимости от соотношения Al2O3 и SiO2 в составе глин по­лучают, полукислые, шамотные или высокоглиноземистые огнеупоры.

Шамотные изделия, наиболее широко используемые в строи­тельстве металлургических печей, делаются из смеси порошка не­обожженной пластичной огнеупорной глины и молотого шамота как отощающего компонента. Присутствие в шихте шамота уменьшает усадку и растрескивание изделия при нагреве. Производство шамот­ных изделий включает в себя получение шамота, подготовку пла­стичной глины и изготовление из их смеси изделий.

Процесс получения шамота состоит из обжига глины на шамот при температуре 1300—1400° С. После обжига шамот подвергают сначала грубому дроблению, потом тонкому помолу. Размолотый шамот просеивают с разделением на фракции по величине зерен.

Подготовка огнеупорной глины состоит из очистки ее от механи­ческих примесей и сушки в сушильных барабанах. Подсушенную глину размалывают в шаровых мельницах.

Существуют два способа изготовления изделий — пластичное формование и полусухое прессование. При пластичном формовании изделий шамот определенного гранулометрического состава смеши­вают с глиной в сухом смесителе, причем для обычных шамотных изделий смесь составляют из 50—60 % шамота и 50—40 % огнеупорной глины. После сухого смешивания массу направляют во влажный смеситель, увлажняют до 16—24 % (сухой массы), а при жирных глинах и больше. Изделия формуют на прессах под давле­нием 1500—2000 кПа.

При полусухом прессовании изделий влажность прессуемой мас­сы значительно меньше 6—9 %. Соотношение шамота и глины бе­рется такое же, как и при пластичной формовке, но часть пластич­ной глины предварительно смешивают с водой для образования шликера, которым смачивают зерна шамота. Шамот, увлажненный шликером, и оставшаяся глина поступают на смешивание (при до­бавлении к шамоту шликера получается хорошее обволакивание зе­рен шамота глиной). Со шликером в массу вводят всю необходимую воду затворения. Прессуют полусухую массу на механических прес­сах под давлением 10—60 МПа. Способ полусухого прессования по­лучил большое распространение, так как изделия при этом имеют меньшую усадку при сушке и обжиге (около 2—3 %) и получаются более плотными, механически прочными и термостойкими. Однако способом полусухого прессования трудно изготовить изделия слож­ной формы и массивные. Преимуществом же пластичной формовки является сравнительная дешевизна, особенно при изготовлении из­делий сложной формы.

Отформованные или отпрессованные изделия сушат. В процессе сушки удаляется большая часть воды затворения, и при этом объем изделия уменьшается (происходит усушка). Для предотвращения ко­робления и растрескивания изделия сушку проводят с постепенным и равномерным нагревом. Обычно сушку осуществляют в специаль­ных устройствах при температуре 110—120° С.

После сушки шамотный сырец с влажностью 3—5 % поступает на обжиг, который необходим для превращения всей глины, входя­щей в состав сырца, в шамот. В первый период обжига, при мед­ленном повышении температуры до 200°С (со скоростью 5°С/мин), удаляются остаток воды затворения и гигроскопическая влага. Во втором периоде при повышении температуры с 200 до 900°С выде­ляется химически связанная вода. Далее температуру повышают до 1350°С со скоростью 10—12°С в минуту. В этот период происходит образование муллита и сложные процессы образования силикатов железа, щелочных металлов и других соединений. После обжига тем­пературу медленно понижают до 40—50°С.

Общими свойствами шамотных изделий являются невысокая ог­неупорность (1610—1730°С в зависимости от класса), сравнительно низкая температура начала деформации под нагрузкой ( 1200—1400° С), повышенная кажущаяся пористость (13—28 %), относи­тельно высокая термостойкость, невысокая теплопроводность, хоро­шая сопротивляемость воздействию кислых (при повышенном содер­жании SiO2) и основных (при повышенном содержании Al2O3) шлаков, высокая износостойкость и низкая стоимость. Основные ха­рактеристики шамотных изделий даны в приложении IV.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

К разновидностям шамотных изделий относятся многошамот­ные, бесшамотные, каолиновые и полукислые изделия. Многошамот­ные изделия изготавливаются из шихты с повышенным содержанием шамота 80—95% и 20—5% связующей огнеупорной глины. Грануло­метрический состав шамота подбирается так, чтобы получить наи­более плотную укладку зерен. Глина добавляется в виде шликера. Для увеличения связующей способности глины в шихту вводят клеящие добавки (сульфитно-спиртовая барда около 0,4%). Давле­ние при формовке 40—50 МПа. Сушка почти не требуется. Обжиг производится по программе, обычной для шамота. Температура об­жига 1400° С. Изделия из многошамотных огнеупоров отличаются высокой механической прочностью на сжатие, малой пористостью, высокой термической стойкостью (до 100 и более теплосмен), малой усадкой и в связи с этим большой точностью размеров и формы.

Бесшамотные изделия, в которых шамот заменен сухарными сульфатными глинами, обладают малой пористостью, высокой ме­ханической прочностью и термической стойкостью. Бесшамотные из­делия получают методом полусухого прессования.

Каолиновые изделия изготовляются из шихты, состоящей из 70% предварительно обожженного при температуре 1400°С каоли­на, 15% сырого каолина и 15% пластичной огнеупорной глины. Из­готавливаются они методом полусухого прессования при давлении 40—60 МПа. Температура обжига 1450—1500° С. По сравнению c
шамотными каолиновые изделия обладают более высокой огнеупор­ностью, более высокой температурой деформации под нагрузкой, а также большей термической стойкостью и шлакоустойчивостью.

Полукислые изделия по своему составу являются промежуточ­ными между динасовыми и шамотными. Они изготавливаются из тощих или искусственно отощенных глин или каолинов и содержат 15—30% Al2O3 и не менее 65% SiO2. Так как глина при обжиге дает усадку, а кремнезем увеличивается в объеме, то при определен­ном количественном соотношении глины и кремнезема можно полу­чить изделия, практически не изменяющие размеров при длительном нагреве. Полукислые изделия обладают огнеупорностью, близкой к огнеупорности шамотных, пониженной термостойкостью, но повы­шенной температурой начала размягчения под нагрузкой и малой усадкой. Каолин повышает термостойкость полукислых огнеупоров. Полукислые изделия имеют сравнительно малую пористость.