Огнеупорные материалы

Категория:
Производство точных отливок


Огнеупорные материалы

Первоначально для литья по выплавляемым моделям использовали при изготовлении форм тот же материал, что и для разъемных песчано-глинистых форм в обычных литейных цехах серого чугуна и стали. Это — двуокись кремния (кремнезем) в виде тонко-размолотой кварцевой муки (Р-кварц). При повышении требований к свойствам и качеству точных отливок использование кремнезема стали ограничивать и применяют в настоящее время там, где не предъявляются особые требования к габаритным размерам отливок, качеству их поверхности, размерным допускам. Однако используется кремнезем еще и там, где он является единственным отечественным дешевым сырьем, и пока нет возможности приобрести другой, более подходящий огнеупорный материал.

Использование кремнезема нежелательно и с точки зрения гигиены труда. Пылевидный кремнезем, вдыхаемый человеком, вызывает у работающих в литейных цехах опасную профессиональную болезнь — силокоз. Формовочные смеси для литья по выплавляемым моделям содержат также сильные неорганические кислоты, которые повышают активность мелкой части пылевидного кварца.

Развитие литья по выплавляемым моделям направлено на производство точных отливок из материалов с высокой температурой плавления, очень часто из новейших жаростойких сплавов, которые плавятся и заливаются в вакууме. Использование таких сплавов и вакуумной технологии предполагает применение таких формовочных смесей, из которых можно изготовлять керамические формы высокой прочности и стойкости при высоких температурах.

Форма не должна взаимодействовать с заливаемыми сплавами, изменяться в объеме во время изготовления, а также должна быть достаточно газопроницаемой. Только формы с такими свойствами могут гарантировать, что отливки большой массы и габаритных размеров будут качественными.

формы с низкой прочностью и стойкостью при высоких температурах могут быть использованы для производства лишь мелких и легких отливок. При большом объеме литого металла керамическая форма прогревается теплотой металла до высоких температур, размягчается и деформируется, в результате чего деформируется и отливка. Кроме того, при большой массе отливки, которая в какой-то степени определяет металлостатический напор, металл проникает в поры керамической формы и отливка будет дефектной из-за плохого качества поверхности. Керамические формы низкой прочности легко размываются заливаемым металлом, и продукты эрозии (частицы керамики) могут быть причиной засоров в отливках. Если материал керамической формы реагирует с заливаемым металлом и с его окислами, то образующиеся продукты реакций также являются причиной некачественной поверхности отливки (химический пригар).

Керамическая форма, изготовленная из материалов, значительно изменяющих свой объем при нагревании, не позволяет получать отливки с узкими размерными допусками; такие керамические формы следует прокаливать очень осторожно, иначе они потрескаются от возникающих керамических напряжений, а а иногда могут и просто разрушиться.

При литье в керамические формы с малой газопроницаемостью при нормальном атмосферном давлении находящийся в форме воздух и газы, выделяющиеся из расплавленного металла, не могут удалиться через стенки формы. В этом случае жидкий металл не заполняет полностью полость литейной формы и отливка получается с недоливом, с неудовлетворительным качеством поверхности .

Основные свойства керамических форм, такие, как огнеупорность, тепловое расширение и инертность к заливаемому металлу, зависят прежде всего от применяемого огнеупорного материала (в суспензии) и в меньшей мере от типа жидкого связующего. Поэтому именно выбор соответствующего огнеупорного материала определяет такие свойства, как термостойкость, тепловое расширение при нагреве и химическую инертность по отношению к заливаемому металлу. В качестве огнеупорных материалов для изготовления керамических форм используют окислы, силикаты, глиноземы, силициды, карбиды, бориды, нитриды и интерметаллические соединения.

Существует еще ряд требований к огнеупорному материалу (кроме перечисленных выше): его количество должно быть достаточным для потребностей литья по выплавляемым моделям, он Должен иметь требуемый фракционный состав, и стоимость его Должна быть приемлемой для производства. Поэтому из всего многообразия материалов в промышленном производстве применяют

лишь ограниченную группу огнеупоров, в основном окислов. Приведенные в таблице характеристики окислов заимствованы из литературных источников. Помимо окислов в литье по выплавляемым моделям применяют карбид кремния, который имеет высокую (1980 °С) точку плавления, относительно малую (3,2 кг/дм3) плотность, низкий коэффициент теплового расширения. Карбид кремния производится в достаточном количестве, необходимой зернистости и приемлемой стоимости. Его применяют в качестве обсыпочного материала для повышения теплопроводности керамических форм, т. е. ускорения затвердевания отливок. Использовать карбид кремния в качестве наполнителя в суспензии нельзя, так как он взаимодействует со сталью.

Он имеет низкую огнеупорность, поэтому кварцевые формы применяют при температуре 1540 °С, а также высокий коэффициент теплового расширения. Кроме того кристаллический кварц при нагревании претерпевает несколько кристаллографических превращений, связанных с резкими изменениями объема. Первое превращение кристаллического кварца происходит при 575 °С, когда p-кварц переходит в а-кварц. До 570 °С расширение у кварца плавное. Затем наступает резкое увеличение объема приблизительно на 2%. Подобные превращения происходят и при 870 °С (тридимит) и 1470 °С (кристобалит). Приведенные кристаллографические модификации отличаются друг от друга коэффициентом линейного расширения, который увеличивается в следующем порядке: тридимит, кварц, кристобалит.

Аморфная форма двуокиси кремния (плавленый кварц, кварцевое стекло) хотя и имеет малый коэффициент расширения в пределах температур от 0 до 1000 °С (0,48 – КГ6), обладает очень низкой огнеупорностью (размягчается при 1550 °С). На человеческий организм аморфная форма кремнезема по сравнению с кристаллическим кварцем действует более активно.

Плотность материала не влияет на основные свойства керамической формы, а проявляется только лишь в утяжелении литейной формы. Однако плотность сказывается на технологических свойствах суспензии — ее седиментационной устойчивости. Огнеупорный материал в жидкой Фазе суспензии оседает, и тем быстрее, чем больше его плотность при том же фракционном составе. Быстрая седиментация суспензии создает затруднения в производстве, поэтому для приготовления наиболее пригодны огнеупорные материалы с низкой плотностью.

Окись бериллия нельзя вводить в суспензии из-за высокой токсичности, так как все соединения бериллия вызывают бериллиозы — болезни более тяжелые, чем силикоз. Для работы с соединениями бериллия имеются специальные предписания как для работы с радиоизотопами. С окисью бериллия (ввиду ее токсичности) проводили эксперименты только в лабораторных условиях. Например, кальцинированный гидроксид бериллия использовали в производстве форм для литья бериллия и его сплавов и как присадку к корундовой керамике. Окись циркония может быть химически связана с другими окислами для стабилизации теплового расширения.

Огнеупорными материалами называются строительные материалы, служащие для сооружения тепловых агрегатов и способные противостоять влиянию высоких температур, а также воздействию физических и физико-химических процессов, происходящих в этих агрегатах. Важнейшие требования, предъявляемые к огнеупорным материалам, следующие: достаточная строительная прочность при высоких температурах (высокая температура размягчения), хорошая термическая стойкость и постоянство объема при изменениях температуры, химическая стойкость по отношению к соприкасающимся с ними шлакам, газам и металлам.

Огнеупорные материалы изготовляются на основе минерального сырья и применяются в виде кирпичей, фасонных изделий и порошков. Кирпичи и фасонные изделия употребляют для выкладки стен, пода, свода и других частей различных печей (доменных, нагревательных, вагранок, газогенераторов и т. д.), а также для футеровки различных ковшей, регенераторов, дымовых труб и т. д. Порошки используют для наварки, набивки и ремонта отдельных частей печей, например, подин и откосов сталеплавильных печей.

По химическим свойствам огнеупорные материалы делят на три группы: кислые, основные и нейтральные. Кислые огнеупоры состоят преимущественно из кислотных окислов (обычно окиси кремния Si02); они вступают в химическое взаимодействие с основными огнеупорами и шлаками, но не взаимодействуют с кислыми шлаками. Основные огнеупоры состоят преимущественно из основных окислов (обычно окиси магния MgO и окиси кальция СаО); они ведут себя противоположно кислым огнеупорам. Нейтральные огнеупоры практически не взаимодействуют ни с основными, ни с кислотными огнеупорами и шлаками.

Кислые огнеупоры. Динас (динасовый кирпич) содержит 93— 96% Si02, 2—3% СаО (связка), имеет огнеупорность (температуру размягчения под влиянием собственного веса) 1690—1730°; применяется для футеровки (кладки) сталеплавильных печей, а также печей другого назначения. Его главным преимуществом является способность не размягчаться при наличии давления вышележащих слоев кладки до температуры 1620—1650°.

Кварцевый песок (93—97% Si02) применяют для наварки и ремонта отдельных частей металлургических печей с кислой футеровкой.

Полукислые огнеупоры содержат не менее 65% Si02 и не более 30% А1203. К ним относятся кварцеглинистые пески и изготовляемые из них кирпичи. Эти огнеупоры дешевы, но имеют худшие свойства, чем кварцевый песок и динасовые кирпичи, поэтому они’при-; меняются для футеровки низкотемпературных печей.

Основные огнеупоры. Магнезит (магнезитовый кирпич и металлургический магнезитовый порошок) состоит из 91—94% MgO, 1—2% СаО, 2—3%, Fe203, около 2% Si02, около 1% А1203. Огнеупорность магнезита выше 2000°, но он размягчается под нагрузкой при меньшей температуре (1500°), чем динас. Магнезит применяют для футеровки подов и стен основных мартеновских и электрических сталеплавильных печей, а также печей цветной металлургии. Магнезитовый порошок применяют для наварки, набивки и ремонта отдельных частей металлургических печей с основной футеровкой. ,

Хромомагнезит и магнезитохромит содержат 30—70% MgO и 10—30% Сг203. Они имеют примерно такие же свойства, как и магнезит, но отличаются от него лучшей термической стойкостью (способностью не растрескиваться при резких изменениях температуры). Магнезитохромит с повышенной термической стойкостью называется термостойким. Он применяется для кладки частей металлургических печей, работающих в условиях резких изменений температуры, например, для сводов мартеновских и электрических сталеплавильных печей с основной футеровкой.

Доломит в отличие от магнезита применяется обычно в виде порошка сырого (необожженного) материала, состоящего главным образом из СаС03 и MgC03. Такой сырой доломит обжигается в процессе работы печи. Наряду с этим доломит применяется также и в обожженном состоянии, в котором он состоит преимущественно из СаО и MgO. Кирпичи из доломита изготовляются сравнительно редко, так как входящая в состав доломита окись кальция (СаО) легко соединяется с влагой воздуха, что приводит к резкому понижению прочности доломитовых кирпичей.

Свойства доломита несколько хуже, чем магнезита, но он весьма распространен и благодаря легкости его добычи имеет гораздо меньшую стоимость, чем магнезит. Огнеупорность доломита 1800—1900°.

Глиноземистые огнеупоры. Эти огнеупоры делятся на шамотные (менее 65% Si02 и, 30—45% А1203 ) и высокоглиноземистые (А1203 более 45%). Шамотные огнеупоры в виде кирпичей и фасонных изделий являются самыми распространенными огнеупорными материалами, так как они обладают хорошими свойствами—высокой термической стойкостью, малым изменением объема, устойчивостью против воздействия кислых и основных 1250— 13501) шлаков—и имеют невысокую стеимость. Их недостаток — сравнительно низкая температура размягчения под нагрузкой (1250—1400°). Шамотные кирпичи применяются для футеровки шахты доменных печей, нагревательных печей, различных ковшей, газогенераторов, вагранок и т. д. Высокоглиноземистые огнеупоры значительно дороже шамотных; их свойства высоки и поэтому они применяются для кладки ответственных частей металлургических печей, например, насадок регенераторов мартеновских печей.

Нейтральные огнеупоры. К нейтральным относятся хромитовые и углеродистые огнеупоры. Хромитовые огнеупоры (порошок хромистого железняка и хромитовые кирпичи) содержат не менее 25% Сг203, и их огнеупорность около 1800°. Они обычно применяются для разделения слоев кислых и основных огнеупоров с целью предотвратить химическое взаимодействие между ними. Углеродистые огнеупоры содержат до 90% углерода и делятся на графитовые и угольные. Из графитовых огнеупоров обычно изготовляют тигли для плавки различных металлов, а из угольных — отдельные части металлургических печей, например, лещадь и стенки горна доменных печей. Углеродистые огнеупоры обладают высокой огнеупорностью (выше 2000°), мало взаимодействуют со шлаками и сохраняют свой объем при работе. Применять их в сталеплавильных печах нельзя, так как они взаимодействуют с жидкой сталью.

Теплоизоляционные материалы. С целью уменьшения тепловых потерь печей через их кладку применяют теплоизоляционные материалы — пористые и достаточно теплостойкие вещества с низкой теплопроводностью. В качестве теплоизоляционных материалов применяют кирпич из трепела и диатомита (80—90% Si02 и 8—10% А1203), асбестит, кизельгур (инфузорная земля — до 96% Si02).


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум