Файл: Кайнарский И.С. Основные огнеупоры (сырье, технология и свойства).pdf

Изделия на шпинельной связке (термостойкие) об­ ладают заметно меньшим коэффициентом термического расширения — от 0,94-ІО-5 [218] до 1,21-ІО-5 [146], что положительно сказывается на их термической стой­ кости.

Наиболее высоким коэффициентом термического рас­ ширения обладают изделия из рапной окиси магния — до 1,7—2,0X10-5 [147]. Повышение плотности магне­ зитовых изделий способствует снижению коэффициента термического расширения (рис. 29) [146].

Термическое расширение массовых магнезитовых изделий весьма-высоко и при 1300° С достигает 1,85— 1,95%, а термостойких изделий иа шпинельной связке 1,55-1,6% [146].

Теплоемкость магнезитовых изделий несколько вы­ ше, чем форстеритовых, и ее температурная зависимость описывается уравнением: С р= 0,222+0,0001027 [43, с. 62]. Средняя удельная теплоемкость массовых магнези­

изделий температурная зависимость коэффициента теп­ лопроводности в интервале температур 20—1200°С опи­ сывается уравнением 7,=7,0—0,0037 [65], а для плотных огнеупоров Я=10,9—0,00487 [43, с. 62]. Таким образом, повышение плотности магнезитовых изделий увеличива­ ет их теплопроводность.

У термостойких магнезитовых изделий на шпинель­ ной связке при равной плотности теплопроводность зна­ чительно ниже [2,9 ккал/(м-ч-град)], чем у обычных магнезитовых, что является закономерным [222].

Магнезитовые изделия с низкой теплопроводностью можно изготовлять1 при введении добавки стабилизи­ рованного кремнеземом спеченного доломита, причем такңе изделия обладают способностью к водному твер­ дению.

По данным [220]), магнезитовые изделия имеют зна­ чительную анизотропию теплопроводности; у массовых огнеупоров она значительно выше при измерении в на-

1 Пат. (Япония), № 21874, 1963.

127

Анизотропия теплопроводности у массовых магнезито­ вых изделий практически отсутствует [221], а у плот­ ных изделий значительно меньше, чем указано в работе

относительно низких температурах (д о ~ 500° С). По­ добные расхождения, очевидно, связаны с различной структурой испытывавшихся изделий и подчеркивают большое ее значение для свойств изделий.

Теплопроводность магнезитовых изделий значительно зависит от давления среды, причем в определенном ее интервале происходит значительное изменение характе­ ра температурной зависимости теплопроводности [223]. При атмосферном давлении и при разрежении 40 мм рт. ст. теплопроводность магнезитовых изделий значитель­ но уменьшается с повышением температуры. Она пада­ ет при 200°С от 9 ккал/(м-ч-град) при атмосферном давлении до 4,5—5 ккал/(м-ч-град) при разрежении 4* 10—1 мм рт. ст. и до 2,5—3 ккал/(м-ч-град) при раз­ режении 1-10~1 мм рт. ст. При этом при разрежении 4-10-1 мм рт. ст. с повышением температуры наблюда­ ется' незначительное снижение теплопроводности, а при разрежении 1 • 10~1 мм рт. ст. даже’некоторое ее повы­ шение с максимумом при 800° С. При температурах вы­ ше 900° С теплопроводность при различном давлении среды практически мало отличаются.

Электросопротивление магнезитового кирпича умень­ шается с повышением температуры от 700 до 900° С от 2,3-ІО7 до 1,7-10е Ом-см [236], при 1200° С до 9,9-ІО5 Ом-см и при 1450° С до 1,0- ІО5 Ом-см [65].

128

Благодаря высоким значениям модуля упругости и коэффициента термического расширения термическая устойчивость массовых магнезитовых изделий весьма низкая [225, 279] и не превышает одной водяной теплосмены от 1300°С. Соответственно, по данным [111], до­ пустимые скорости нагрева магнезитовых изделий так­

изделий, в которой осуществлен весьма плотный контакт зерен периклаза и связки. Определенная роль при ана­ лизе причин низкой термической устойчивости отводит­ ся наличию стекловидной фазы — стекловидные каемки, окружающие зерна периклаза, препятствуют пластиче­ ской деформации кристаллов периклаза и создают при нагреве дополнительные локальные напряжения от не­ однородности. Пластические деформации [280], .возни­ кающие при высокотемпературной эксплуатации огне­ упоров, способствуют уменьшению температурных на­ пряжений и тем самым повышению термостойкости ма­ териала. При относительно низких температурах (до 1180—1230°С), когда пластической деформации практи­ чески нет, термическая стойкость магнезитовых огне­ упоров минимальна и для образцов из плавленой оки­ си магния (пористость 19—22%, содержание MgO 93,1— 95,9%) температурный перепад при разрушении 50% об­ разцов колеблется от 75 до 175° С в зависимости от хи­ мического и зернового состава изделий. При повыше­ нии температуры благодаря релаксации температурных напряжений термостойкость повышается и соответству­ ющий температурный перепад колеблется для указан­ ных изделий от 200 до 280° С при 1950—2050° С.

Для обеспечения термической стойкости изделий ре­ шающим является создание микротрещиноватой струк­ туры, обусловливающей уменьшение теплопроводности, упругости и в некоторой мере коэффициента термиче­ ского расширения так, чтобы общий критерий термо­ стойкости увеличивался [222]:

Тщах К

G a ’

где ттах— предел прочности материала, кгс/см2; К — коэффициент теплопроводности, ккал/(м-ч-

•град);

G — модуль сдвига (или упругости), кге/см2;

а— коэффициент термического расширения, град-1.

Действительно, по исходным данным [146] можно об­ наружить корреляцию между указанным критерием термостойкости и результатами определений термостой­ кости по числу воздушных теплосмен для нескольких ти­ пов магнезитовых огнеупоров (табл. 33). Исходная прочность при сжатии магнезитовых изделий непосред­ ственно не оказывает значительного влияния на их тер­ мостойкость [59].

Т а б л и ц а 33

Поскольку теплопроводность является важной харак­ теристикой микротрещиноватости структуры изделий, между термостойкостью и теплопроводностью существу­ ет [222] зависимость, которая для магнезитошпинельных изделий описывается уравнением:

Т = 28,13е—°’693/с,

где Т — термостойкость, водяные теплосмены, от 1300° С;

К — коэффициент теплопроводности, ккал/ (м • ч • !град).

Образование микротрещиноватой структуры осущест­ вляется использованием для изготовления изделий двух­ фазных смесей. Напряжения, обусловливающие' возник­ новение микротрещин между различными фазами при охлаждении обожженного изделия, зависят от различия коэффициентов расширения каждой из фаз а п и сред­ него коэффициента расширения тела осСр по уравнению

вп = К р — <*„) (А) — t) К п,

130

где ап— среднее напряжение в каждой из п фаз; температура нулевого' напряжения (макси­ мальная температура обжига изделия);

К п— объемная упругость (сопротивление сжатию) данной фазы п.

Расчет показывает, что при охлаждении магнезито- шпинелы-іых огнеупоров после обжига периклазовая фаза испытывает растягивающие напряжения, а шпинельная — сжимающие; это и приводит к возникнове­ нию микрѳтрещин. Последнее обусловливает понижение упругих и механических свойств изделия. Если при этом величина отношения прочности тела к его упругости по­ вышается, то термостойкость увеличивается. Изложен­ ное подтверждается для магнезитовых изделий на шпинельной связке.

В исследовании [225] установлено, что в магнезито­ вом огнеупоре с добавкой глинозема менаду участками периклаза и сростками шпинели наблюдаются микро­ скопические тррщинки. Введение глинозема (10% А120 3) поэтому снижает величину Е от 13,7-ІО5 кгс/см2 у маг­ незитового огнеупора до 12,1-ІО4 кгс/см2 у магнезитово­ го на шпинельной связке, а предел прочности при рас­ тяжении снижается соответственно от 138 до 42 кгс/см2. Поэтому величина <ур/Е увеличивается от 1,0-ІО-4 у маг­ незитового огнеупора до 3,5-ІО-4 у магнезитового на шпинельной связке, обусловливая повышение термостой­ кости последнего.

Поэтому магнезитовые изделия на шпинельной и форстеритовой связках обладают повышенной термостой­ костью [140, 146, 147, 222, 225, 278], так же как и магне­ зитовые изделия с некоторыми другими добавками — Ті02, Fe20 3, BaO, SrO, ZrSi04, Cr20 3, B20 3 и др. [146, 225—227].

Магнезитовые изделия на шпинельной связке облада­ ют термостойкостью 25—27 водяных теплосмен от 850° С

изделиях за счет введения добавки 4% А1 взамен 8 % А120 3 термостойкость изделий еще более возрастает и разрушающий температурный перепад увеличивается при этом от 267 до 545° С [151].

По данным [140], выделение кристаллов магнезиог феррита в периклазе снижает однородность зерен по­ следнего и термостойкость изделий. В соответствии с