Огнеупоры – это материалы, которые способны выдерживать высокие температуры и агрессивные среды, при этом не разрушаясь под действием процессов, которые происходят в тепловых агрегатах. Огнеупорные материалы состоят из огнеупорных глин и каолинов.
Всё началось с обыкновенного кирпича. Замесили глину, добавили песка, слепили прямоугольный брусок и отправили его в огонь. Кирпич получился красный и твёрдый. Огонь был ему уже не страшен, и поэтому из него сложили печку. Кирпичная печка стоит посреди деревянного дома, в ней горит огонь, а кирпич его окружает и не допускает до деревянных стен.
Однако в домашней печке огонь не очень-то сильный. Ему далеко от того огня, который в доменной печи выплавляет из руды чугун. Бешеного пламени доменного горна обычный кирпич уже не выдержит — расплавится. Для металлургических печей — домен и мартенов — приходится делать особый кирпич из огнеупорной глины или из кварцевого песка с известью. Кирпичи из этих огнеупоров выдерживают, не размягчаясь, температуру до 1500—1600°.
Но нужно сказать, что, по современным понятиям, температура в 1500° не так уж высока. Сейчас для техники нужны огнеупоры, выдерживающие температуру выше 2000—2500°. В таком огне даже гранит тает, как воск на горячей плите, а медь и серебро кипят, превращаясь в пар. Немного найдётся веществ, остающихся твёрдыми при этих температурах. Такова, например, окись циркония, которая плавится только при 2700°.
Ещё более огнеупорны некоторые соединения металлов с азотом и углеродом. Они выдерживают нагревание до 3000° и даже до 3200°. При этих чудовищных температурах испаряется железо, и всё-таки это ещё не предел. Графит, тот самый, из которого делают карандаши, способен выдержать 3500°! В графитовом тигле можно расплавить самый тугоплавкий из металлов — вольфрам.
Много существует разных огнеупорных материалов. Твёрдый корунд и мягкий асбест, химически стойкий магнезит и окись бериллия — все они помогают человеку укрощать огонь, использовать его могучую силу. Новые огнеупоры работают в плавильных печах и химических лабораториях, помогая созданию чудесных, неведомых раньше материалов. Асбестовые костюмы защищают пожарных от пламени разбушевавшегося пожара, а сталеваров — от жгучих брызг расплавленного металла. Огнеупорные материалы оказались необходимыми и в космосе. Космический корабль при возвращении на Землю сгорел бы, как метеорит, от трения о воздух, если бы его не защищала надёжная огнеупорная оболочка.
Огнеупорные изделия могут быть формованными и неформованными.
Неформованные огнеупоры - огнеупоры, изготовленные без определенных форм и размеров в виде кусковых, порошковых и волокнистых материалов, а также паст и суспензий. Неформованные огнеупорные материалы обычно упрочняют введением минеральных (например, жидкое стекло) или органических (полимеры) связующих.
К ним относят металлургические заправочные порошки, заполнители и мелкозернистые компоненты для огнеупорных бетонов, огнеупорные цементы, бетонные смеси и готовые к применению массы, мертели, материалы для покрытий (в т.ч. торкрет-массы), некоторые виды волокнистых огнеупоров.
Неформованные огнеупоры могут быть сухими, полусухими, пластичными и жидкотекучими.
Неформованные огнеупоры применяют для выполнения и ремонта футеровок сталеразливочных ковшей (набивные и наливные кремнеземные, высокоглиноземные и магнезиальные массы); конвертеров (торкрет-массы), нагревательных и обжиговых печей (шамот, и высокоглиноземные массы), индукционных печей (корундовые и периклазовые массы), коксовых печей (обмазки), подин мартен, и электродуговых печей (заправочные порошки) и т. д.
Формование огнеупорных материалов проводят методами полусухого и горячего прессования, пластического формования, литья (вибролитья) из текучих масс или расплава материала, а также распилом предварительно изготовленных блоков или горных пород.
Формованные огнеупоры применяют для изготовления огнеупорных кладок стен, сводов, подов и других конструкций коксовых, мартеновских и доменных печей, печей для выплавки различных сплавов, при футеровке ядерных реакторов, МГД-генераторов, авиационных и ракетных двигателей; неформованные - для заполнения швов при кладке формованных огнеупоров, нанесения защитных покрытий на металлы и огнеупоры.
По характеру термической обработки различают безобжиговые и обожженные огнеупорные материалы.
Безобжиговые огнеупоры - изделия из огнеупорных материалов и связки, приобретают требуемые свойства при сушке < 400°С (после нагрева изделий от 400 до 1000°С их называют термообработанными). Связкой могут быть глины, керамические суспензии, растворы фосфатов, щелочные силикаты (жидкое стекло), смолы термопластичные и термореактивные, эластомеры и другие безобжиговые огнеупоры по прочности и пластичности не уступают, а по термостойкости превосходят обожженные огнеупоры.
Наиболее широко применяют следующие безобжиговые огнеупоры: кремнеземистые бетонные блоки (для нагревательных колодцев), шамот и высокоглиноземные (для обжиговых агрегатов), магнезиальноизвестковые на смоляной (пековой) связке (для сталеплавильных конвертеров) периклазовые и периклазохромитовые (для сталеразливочных стаканов), магнезиальные в стальных кассетах.
Для обожженных огнеупорных материалов температура обжига превышает 600 °С и определяется достижением необходимых физико-химических свойств материала. Обжиг огнеупорных материалов проводят в плазменных или электрических печах периодического или непрерывного действия - камерных, кольцевых, туннельных, шахтных и др.
Другие важные свойства огнеупорных материалов - пористость, термическая стойкость, теплопроводность, температура начала деформации под нагрузкой и химическая стойкость в различных средах.
По пористости (объемной доле пор в %) различают:
- особоплотные огнеупорные материалы (пористость менее 3%),
- высокоплотные (3-10%),
- уплотненные (16-20%),
- материалы повышенной пористости (20-30%),
- легковесные (45-75%) - огнеупоры с высокой (45-85%) пористостью. В зависимости от сырья изготовления, бывают шамотными, динасовыми, глиноземными и другими.
- ультралегковесные (75-90%), к которым обычно относят волокнистые огнеупорные материалы.
По химико-минеральному составу огнеупоры делят на типы (кремнеземистые, алюмосиликатные, глиноземистые, глиноземоизвестковые, магнезиальные, известковые, хромистые, цирконистые, оксидные, углеродистые, карбидкремниевые и бескислородные), на типы на группы. При композиционном составе в наименовании огнеупоров на первое место ставится преобладающий компонент (например, периклазохромитовые и хромитопериклазовые).