Огнеупорные материалы и изделия


Огнеупорными называют материалы, способные выдерживать высокую температуру без разрушения под влиянием процессов, происходящих в рабочем пространстве тепловых агрегатов. Различают изделия, выдерживающие, следующие температуры:

Наименование изделий Температура, °С
Огнеупорные 1 580—1 770
Высокоогнеупорные 1 770—2 000
Высшей огнеупорности Выше 2 000

Для котельных агрегатов, как правило, используют изделия, относящиеся к первой из этих категорий.

В зависимости от химико-минерального состава и технологии производства огнеупорные изделия разделяются на различные группы и виды. Для котельных агрегатов в основном используют огнеупорные изделия общего назначения, т. е. изделия алюмосиликатные и отчасти кремнеземистые (динасовые). Для изготовления огнеупорных масс также применяют огнеупоры магнезиальные и хромистые.

Алюмосиликатные огнеупорные изделия изготовляют из огнеупорных глин и каолинов. Огнеупорными называют глины, обладающие достаточной пластичностью и способные выдерживать воздействие температур 1 600—1 700 °С, не плавясь и не размягчаясь. Как правило, огнеупорные глины содержат от 20 до 45 % Al2O3, от 45 до 65 % SiO2, а также небольшие примеси CaO, MgO, Fe2O3, К2О, Na2O, не превышающем в общем количестве 1—3 %. Различают глины высокоосновные с содержанием более 40 % Al2O3, основные с содержанием 30—40 % Al2O3 и полукислые, которые содержат менее 30 % Al2O3 и более 65 % SiO2. Каолин представляет собой минерал состава Al2O3·2SiO2-2H2O (A12O3 = 39,5 %; SiO2 = 46,6 %; Н2O = 13,9 %).

Алюмосиликатные изделия разделяют на шамотные, полукислые и высокоглиноземистые. Шамотными называют огнеупорные изделия, изготовленные из огнеупорных глин или каолинов с отощением их шамотом. Содержание Al2O3 в них находится в пределах 30—45 %. Шамотные изделия но огнеупорности разделяют на четыре класса: О, А, Б, В. Их основные характеристики приведены ниже.

Класс О А Б В
Огнеупорность не ниже, °С 1 750 1 730 1 670 1 580
Содержание Al2O3 (обычно), % 40—45 38—42 32—38 30—34

Полукислыми называют изделия, изготовляемые из кварцевых пород на глиняной или каолиновой связке или из естественно отощенных кварцевым песком глин и каолинов, иногда с добавкой шамота. Содержание SiO2 в них колеблется в пределах 70—80 %. При каолиновой связке огнеупорность этих материалов не ниже 1 710 °С, при глиняной связке — не ниже 1 580 °С. Высокоглиноземистыми называют изделия, изготовленные из минералов или искусственных материалов с высоким (не менее 45 %) содержанием глинозема. Различают три класса высокоглиноземистых изделий:

Класс 75 60—75 45—60
Огнеупорность не ниже, °С 1 850—2 000 1 820—1 920 1 750—1 850
Содержание Al2O3, % Более 75 60—75 45—60

Динасовые (кремнеземистые) изделия получают посредством отжига из кварцевых пород на известковой или иной связке. Они содержат не менее 90 % SiO2; огнеупорность их в зависимости от класса и сорта составляет 1 690—1 730 °С.

Для котельных агрегатов огнеупорные изделия применяют в виде нормального и фасонного кирпича, жароупорных бетонов и масс.

Кирпич идет на выполнение обмуровки и зажигательных поясов топочных экранов. Нормальный прямой кирпич выпускают семи размеров от 230×113×65 до 300×150×65 мм. Кроме того, существует пять размеров более широкого, полуторного, кирпича и четыре размера более короткого, трехчетвертного. Для выкладки сводов, круглых амбразур для горелок и т. п. применяют различные виды клинового кирпича, а также пяточный кирпич. Фасонный кирпич не стандартизован и изготовляется по чертежам. Для футеровки, применяемой в области температур не выше 1 000 °С, используют шамотный кирпич классов А и Б, в области температур ниже 1 000 °С шамотный кирпич классов Б и В и полукислый кирпич классов А и Б. При температуре выше 1 200 °С, интенсивном воздействии шлака и резких температурных колебаниях рекомендуется каолиновый кирпич с содержанием Al2O3 + TiO2 не менее 39 % и огнеупорностью не ниже 1 740 °С. Зажигательные пояса выполняют из шамотного кирпича класса А особого фасона. При температуре не выше 600 °С используют красный кирпич.

Жароупорные бетоны применяют для создания потолочных перекрытий топочных камер, плит, перегородок и т. п. в области температур, не превышающих 1 000 °С. Бетон обычно армируют железом. Бетон делают на глиноземистом цементе (обычно марки 500) или портланд-цементе той же марки в количестве 20—25 % с добавлением заполнителя из шамотных зерен и шамотного порошка в количестве 75—80 %. Структурный состав заполнителя варьируют.

Огнеупорные пластичные массы употребляют для создания зажигательных поясов на топочных экранах и обращенного в топку слоя натрубной обмуровки. Существует три вида масс: хромитовые, шамотные и глиноземистые. Хромитовая масса составляется приблизительно из 90 % хромитовой руды, содержащей не менее 35—50 % Cr2O3 и не более 10 % SiO2 и измельченной до размера зерна не более 5—8 мм, 3 % огнеупорной глины и 7 % жидкого стекла с плотностью 1,5 т/м³. В шамотную массу входит 70—75 % шамотного порошка с содержанием не менее 40 % Al2O3, 20—25 % огнеупорной глины и 3—5 % жидкого стекла той же плотности. Глиноземистые массы приготовляют, так же как и шамотные, с добавкой небольшого количества корунда. Наиболее распространены хромитовые массы, но они относительно дороги, шамотные массы дешевле, но они хуже хромитовых, так как более хрупки. Глиноземистые массы лучше хромитовых, так как в сыром виде они обладают лучшей пластичностью, что облегчает нанесение их на трубы, а кроме того, слабее взаимодействуют со шлаками.

Все перечисленные огнеупорные материалы имеют небольшой коэффициент теплопроводности. Он увеличивается с повышением температуры согласно закону:

λt0+btср, ккал/м·ч·град,    (1)

где λt и λ0 — коэффициенты теплопроводности материала соответственно при температуре t и 0 °С;

tср — средняя температура в слое материала, °С;

b — постоянная величина, ккал/м·ч·град².

Основные характеристики некоторых огнеупорных изделий приведены в табл. 1.

Таблица 1

Материалы Предельная температура применения, °С Объемная масса, кг/м³ Коэффициент теплопроводности при 0 °С, ккал/м·ч·град Коэффициент b, ккал/м·ч·град²
Обмуровочные
Кирпич шамотный
Кирпич красный
Теплоизоляционные
Кирпич диатомитовый
Кирпич пенодиатомитовый
Вата минеральная
Изделия из минеральной ваты,
прошивные
Изделия из минеральной ваты на
неорганических связках
Изделия вулканитовые
Изделия совелитовые
Изделия из минеральной ваты
на неорганических связках
Изделия прошивные из стеклян­ной ваты
Изделия из пенобетона

1400
600

900
900
600

600

600
600
500

300

300
200

1800 - 2000
1600 - 1800

500-600
450
260

240-250

350-400
350-400
350-400

175

200
400-50

0,60
0,4

0,10-0,12
0,08
0,05

0,046

0,063
0,067-0,070
0,065-0,067

0,044

0,036
0,09-0,109

0,00055
0,00044

0,0002
0,0002
0,00016

0,00016

0,00017
0,00016
0,00016

0,00017

0,00020
0,00020-0,00026