Краткие теоретические сведения

Керамические материалы получают спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения ─ оксидов металлов и неметаллических элементов (бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония), а так же нитридов, карбидов, боридов и др.

Керамические изделия применяют для изготовления инструмен­тов, деталей двигателей внутреннего сгорания, фильтров, мем­бран с различной пропускной способностью, элементов искусст­венных органов, износостойких покрытий, нагревательных элементов, элементов источников питания, огнеупорных изделий, тиглей для плавки металлов, элементов футе­ровка и тепловой изоляции высокотемпературных печей, оболочек термопар и др.

По составу керамику подразделяют на кислородную состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов (бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония) и бескислородную — нитридную, карбидную, боридную и др.,

а по функциональному назначению на конструкционные, электрические, опти­ческие, магнитные, биологические, бытовые (для изготовления различной посуды, художественных изделий и т.д.), огнеупорные.

Огнеупор­ные материалы по химико-минеральному составу классифицируются на 15 типов: кремнеземистые, алюмосиликатные, глиноземистые, глиноземоизвестковые, магнезиальные, магнезиально-известковые, известковые, магнезиально-шпинелидные, магнезиально-силикатные, хромистые, цирконистые, оксидные, углеро­дистые, - карбидкремниевые, бескислородные. Каждый тип огнеупоров подразделяется на группы с определенным химическим составом и свойствами. Внутри группы конкретные изделия имеют марки, первые буквы которых отражают, как правило, наименование группы.

По огнеупорности огнеупорные материалы подразделяются на три группы: средней огнеупорности — от 1580 до 1770, высокой—свыше 1770 до 2000, высшей—свыше 2000°С.

В зависимости от пористости формованные огнеупоры подразде­ляются на плотные (пористостью менее 45 %) и легковесные (от 45 % и выше).

Огнеупорные материалы подразделяются: на огнеупорные изделия (формованные огнеупоры), имеющие опреде­ленную геометрическую форму и размеры; огнеупоры неформованные, выпускаемые без определенных форм и размеров: готовые к при­менению; употребляемые после смешивания с другими готовыми ком­понентами, в том числе с затворителями; применяемые после допол­нительной технологической обработки (полуфабрикаты).

По форме и размерам огнеупорные изделия (с учетом их массы и размеров) подразделяются: на прямые; клиновые; фасонные простой, сложной и особо сложной конфигурации; рулонные и листовые; мелкоштучные разного назначения массой преимущественно менее 1 кг; блочные массой свыше 40 до 1000 кг; крупноблочные массой свыше 1000 кг.

Неформованные огнеупоры в зависимости от назначения подраз­деляются: на бетонные массы и смеси, в том числе содержащие орга­ническую связку; материалы для покрытий, в том числе для обмазок и мастик; мертели; заправочные порошки; волокнистые теплоизоля­ционные материалы; заполнители; цементы; порошки различного на­значения; порошковые и кусковые полуфабрикаты.

Корунд – кристаллическая модификация оксида алюминия (а-А1₂О₃). Применяется в виде материалов, имею­щих следующие товарные названия: спеченный корунд, спеченный гли­нозем, электрокорунд, алунд, корракс, корунд, монокорунд, синтеркорунд, сапфир и др. Название продукта зависит от способа его получения (обработки, приводящей к превращению оксида алюминия в α-А1₂0₃) или от вида продукции (порошок, керамика, кирпич и т. п.). Используется в электро­нике для изготовления подложек интегральных схем, резцов для чистовой обработки, абразивных инструментов, фильер, свечей зажигания ДВС, тиглей для плавки металлов, футеровки цемен­тационных печей, огнеупорных изделий (кирпич, раз­личные фасонные огнеупоры)

Выпускаются также легковесные высокопористые корундовые огне­упоры в виде нормального прямого и клинового кирпича и некоторых фасонных изделий (блоков), их температура применения в любых атмосферах не превышает 1500°С, так как выше этой температуры изделия имеют значительную усадку.

Алюмосиликатные огнеупоры (шамотные, муллитокремнеземистые, муллитовые, муллитокорундовые) со­держащие более 45 % Аl₂О₃.

Шамотные огнеупоры изготовляются из огнеупорных глин или као­линов с отощением (добавкой) их шамотом (обожженной глиной) или непластичной неразмокающей в воде глинистой породой. Содержание А1₂0₃ в шамотных изделиях —от 28 до 45 %, огнеупорность их состав­ляет 1600—1750°С. Шамотные изделия могут служить в условиях воз­действия кислых и основных шлаков, расплавов солей; в зависимости от способа изготовления они достаточно термостойки. Изделия приме­няются для кладки электропечей различного назначения (плавильных, нагревательных, для термообработки), работающих, главным образом, в условиях воздушной (слабоокислительной) атмосферы. Шамотные огнеупоры выпускаются различных форм (фасонов) и марок, -плотные и легковесные.

Шамотные легковесные изделия используются для кладки рабоче­го (незащищенного) или внутреннего (защищенного) слоя футеровки электропечей различного назначения. Легковесные изделия изготовля­ются в виде прямых или фасонных кирпичей (только простой формы). Легковесные изделия не должны подвергаться воздействию расплав­ленных шлаков, металлов, стекла, золы, истирающим усилиям и ме­ханическим ударам. Они могут применяться в качестве промежуточной теплоизоляции в плавильных или высокотемпературных электропечах. Огнеупоры ШЛ-0,4 и ШТЛ-0,6 могут применяться в контролируемых углеродсодержащих атмосферах до П00^сС; огнеупоры ШЛ-1Д ШЛ-1,0, ШЛ-0,9 допускается применять в вакууме до 1000 °С. Физико-химические показатели легковесных шамотных огнеупоров регламентированы ГОСТ 5040-78.

Муллитокремнеземистые и муллитовые огнеупоры содержат 45—72% Al₂О₃, имеют огнеупорность не ниже 1700^°С и в качестве основной составляющей кристаллической фазы содержат муллит 3Al₂0₃х2SiО₂. Связка между зернами муллита — стекло с раз­личным содержанием кремнезема. Материалы стойки к воз­действию металлов, шлаков, расплавов и газов, достаточно термостой­ки, содержат сравнительно небольшое количество вредных примесей. Их применяют в огнеупорном незащищенном слое фу­теровки электропечей различного назначения. Выпускаются в виде плотных изделий различной конфигурации и в виде легковесных пря­мых и малосложных фасонных изделий. Легковесные материалы не должны подвергаться воздействию расплавов металлов, шлаков и сте­кол, истирающим усилиям и механическим ударам. Плотные материа­лы с содержанием А1₂0₃ более 60 % могут применяться в вакууме, углеродсодержащей атмосфере и неосушенном водороде.

Муллитокорундовые огнеупоры содержат от 72 до 90% А1₂O₃ и незначительное количество примесей; их огнеупорность выше 1800^°С; в качестве основных слагающих кристаллических фаз они содержат муллит и корунд; связка меж­ду ними — малокремнеземистое стекло. Материалы обладают большой механической прочно­стью, малой пористостью и газопроницаемостью, удовлетворительной термостойкостью. Применяются в качестве огнеупорного ра­бочего слоя в электропечах различного назначения, в том числе в не­посредственном контакте с расплавами металлов, солей, шлаков и сте­кол с газами и нагретыми металлами, в вакууме, углеродсодержащеий атмосфере и неосушенном водороде. Выпускаются в виде плотных изде­лий различной формы и конфигурации.

 Кремнеземистые материалы (диоксид кремния SiO₂ - кремнезем) применяют для изготовления динасовых огнеупоров (коксовые и стекловаренные печи, своды электросталеплавильных и других электропечей; электрических нагревательных печах).

Магнезиальные огнеупоры содержат в своем составе не менее 85 % оксида магния MgO (периклаза). Применяют для футеровки в тепловых агрегатах различных отраслей промышленности, в плавильных электропе­чах.

Карбид кремния SiC (карборунд) применяют для изготовления огнеупоров и нагревательных элементов. Выпускаются два вида технического карбида кремния — черный и зеленый; черный содержит больше примесей и уступает зеленому по абразивным свойствам, по огнеупорным свойствам различия между ними не установлено. Тех­нический карбид кремния содержит 97,5 – 98,0 % SiC и примеси - Si, А1, Fe, SiO₂.

Карбидкремниевые нагреватели имеют сокращенное обозначение КЭН. По сравнению с нагревателями из сплавов сопротивления КЭН обладают рядом отличительных свойств: более высокой температурой примене­ния (до 1450—1600°С на поверхности нагревателей), более высоким удельным электрическим сопротивлением, возможностью замены вы­шедших из строя нагревателей без длительной остановки печи.

К основным недостаткам КЭН относятся: низкая механическая прочность, увеличение сопротивления нагревателей в процессе эксплуа­тации за счет окисления (старение нагревателей), нестабильность зна­чений скорости старения и срока службы. Старение КЭН вызывает дополнительные неудобства при их эксплуатации: силовое оборудо­вание печей (трансформаторы, тиристорные регуляторы) должно обес­печивать возможность повышения напряжения; вышедшие из строя КЭН должны заменяться на нагреватели с более высоким значением сопротивления по сравнению с маркировочным сопротивлением нагре­вателей, установленных в печи. 

Дисилицид молибдена MoSi₂ содержит 63% Мо; 36,7% Si; 0,8% С; 0,2% Fe, имеет плотность 6300 кг/м³, температуру плавления (2030±50) °С, Дисилицид молибдена MoSi₂ применяется для изготовления электронагревательных элементов электропечей сопротивления с различными атмосферами. Электронагреватели работают в следующих сре­дах: в воздухе, окислительных и инертных газах — до 1700°С; в вос­становительных средах — до 1500 °С.