» » Шлакоустойчивость огнеупорных материалов
02.06.2015

Во многих случаях основным или сопутствующим фактором разрушения огнеупоров в тепловых агрегатах цветной металлургии является разъедание их шлаками, представляющее собой коррозию (химический процесс) или эрозию (физический процесс) под влиянием приходящих в соприкосновение с огнеупором шлаков, расплава металлов, пыли шихты и окислов, находящихся в газовой фазе.
Износ огнеупоров в результате разъедания шлаками происходит либо последовательным растворением поверхностных слоев огнеупора, либо проникновением внутрь и взаимодействием расплавов с материалом огнеупора. Кинетика процесса зависит от огнеупорности соединений, образующихся в результате химических реакций, вязкости получающихся расплавов и температуры, при которой происходят реакции; высокая огнеупорность и вязкость вновь образованных соединений замедляют разрушение.
Для шлакоустойчивости огнеупора необходимо такое сочетание химических составов огнеупора, шлаков и расплавов, при которых огнеупорность образующихся в результате реакций между ними новых соединений была бы не ниже температуры службы огнеупора.
С повышением температуры вязкость шлаков и расплавов имеет тенденцию быстро снижаться, а потому в ряде случаев повышение температуры лишь на несколько десятков градусов претив регламентированного режима ведет к усиленному проникновению шлаков и расплавов вглубь огнеупора и к быстрому его износу. В результате проникновения расплавов в поры кирпича происходит:
а) растворение связки, скрепляющей зерна огнеупора, и вымывание некоторой части твердых зерен из тела огнеупора;
б) образование новых химических соединений, твердых растворов, мигрирование новых расплавов вглубь кирпича, расслоение расплава и застывание соединений по градиенту температур в кирпиче.
О соединениях, которые должны возникнуть в результате реакции между шлаком и огнеупором, можно судить на основе соответствующей диаграммы состоянии, или кривой плавкости огнеупор — шлак. Высокостойкие огнеупоры должны удовлетворять требованиям отсутствия взаимодействия между шлаком и огнеупором; реакции, если они все же происходят, должны приводить к образованию высокотемпературных окислов и протекать с малой скоростью.
Химическая коррозия огнеупоров зависит от активности компонентов шлака, которая пропорциональна не весовому, а относительному содержанию молекул в шлаке. Поэтому в ряде случаев даже небольшое содержание в шлаке агрессивных соединений (например, FеО) приводит к значительной коррозии огнеупора.
Скорость растворения огнеупора в шлаке пропорциональна скорости диффузии, поверхности растворяющегося твердого материала и зависит от степени насыщенности шлака материалом огнеупора, т. е. разности между предельным насыщением и концентрацией во время растворения; обратно пропорциональна толщине диффузионного слоя. Поверхность соприкосновения шлака с огнеупором включает как внешнюю поверхность огнеупорного изделия, так и поверхность тех пор и трещин, в которые проникает шлак. При этом следует иметь в виду, что помимо* абсолютной величины пористости, существенен и размер пор, обусловливающий скорость впитывания жидкой фазы. Эта скорость падает с уменьшением радиуса капилляра, по которому происходит впитывание шлака вглубь огнеупора, а также зависит от канальности пор и сообщения их между собой. В тех случаях, когда вытекания расплава из тела кирпича не происходит и он продвигается вглубь огнеупора, последний приобретает зональное строение, причем зоны имеют различные коэффициенты термического расширения. При колебаниях температур это приводит к образованию на границах зон трещин, сколов и сломов. Поэтому особое значение для повышения шлакоустойчивости изделий имеет их плотность, т. е. малая пористость.
При постоянном возобновлении шлака насыщение его огнеупором ничтожно мало. Поэтому скорость растворения пропорциональна предельной концентрации шлака материалом огнеупора, которая быстро возрастает с повышением температуры. Поэтому при высоких рабочих температурах для высокой стойкости изделий малая пористость приобретает еще большее значение.
Процесс разъедания шлаками протекает различно не только для отдельных видов огнеупора, но и для разных типов каждого вида.
Для оценки шлакоустойчивости изделий пользуются статистическим (тигельным) и динамическим методами.
При статистическом методе в огнеупорном изделии делают цилиндрическое отверстие, которое заполняют навеской шлака. После нагрева до высоких температур и соответствующей выдержки при этих температурах, охлажденное изделие распиливают по диаметру цилиндра и измеряют объем разъедания и размер диффузии.
При динамическом методе на специальной установке расплавленный шлак стекает на поверхности движущихся и расположенных на соответствующей подставке в печи призм испытуемых огнеупоров. В печи поддерживают постоянную температуру. Оценка шлакоустойчивости происходит по потере образцами веса за точно фиксируемый и установленный период.