Основы производства огнеупорных материалов

Теоретические основы производства огнеупорных материалов впервые были изложены академиком А. А. Байковым, который рассматривал процесс превращения порошкообразной массы в твердый кристаллический сросток как процесс перекристаллизации огнеупорного материала в жидкой фазе при определенной температуре. В основных чертах этот процесс подобен процессу затвердевания цемента, смешанного с водой. Поэтому огнеупорные материалы можно назвать «цементами высоких температур», а готовые огнеупорные изделия из них — «бетонами высоких температур».

При производстве огнеупорных изделий массу, состоящую из огнеупора определенного химического состава и связующего вещества подвергают формовке, сушке и обжигу. В процессе формовки изделию придается заданная форма на специальных формовочных прессах. При сушке удаляется излишняя влага, и изделие приобретает некоторую начальную прочность. Процесс обжига можно разделить на три периода: во время первого периода температура постепенно повышается до некоторой достаточно высокой, определяемой химическим и минералогическим составом массы; во втором периоде, достаточно продолжительном, температура поддерживается на заданном уровне; в третьем периоде температура снижается до нормальной, и обожженные изделия охлаждаются.

Наибольшее значение для качества изделия имеет второй период. В начале его обжигаемое изделие представляет собой массу, состоящую из отдельных зерен или крупинок огнеупорного материала, пропитанных и смоченных небольшим количеством расплава. Эта жидкая фаза образовалась при взаимодействии главного окисла, являющегося огнеупорным материалом, со всеми примесями, имеющимися в массе. Количество образованного расплава зависит от температуры и количества примесей, причем чем выше температура обжига во втором периоде и больше примесей, тем больше образуется расплава. В результате перекристаллизации в расплаве в конце второго периода твердые частицы образуют плотный кристаллический сросток. При этом масса утрачивает свою рыхлость и приобретает механическую прочность. Такое превращение совершается при постоянной температуре (которая ниже температуры плавления огнеупора) путем перекристаллизации огнеупорного материала в небольшом количестве жидкой фазы.

Степень растворения основного окисла в расплаве, а следовательно, и полнота его перекристаллизации зависят от степени дробления исходного материала, так как с уменьшением размера зерен растворимость их увеличивается. Твердое тело с правильной кристаллической решеткой обладает меньшей растворимостью, чем тело с деформированной решеткой. Деформация кристаллической решетки может наступить во время обжига либо вследствие полиморфного превращения, сопровождаемого значительным изменением объема, либо в результате разложения химического соединения, входящего в состав исходного материала.

Условия, соблюдение которых необходимо для получения качественных огнеупорных изделий, сформулированные А. А. Байковым, следующие:

  • наличие в шихте таких примесей, с которыми огнеупорный материал может давать расплав и может в нем растворяться;
  • обжиг при температуре, обеспечивающей образование требуемого количества расплава;
  • выдержка при температуре обжига в течение времени, достаточного для завершения процесса перекристаллизации.

Классификация огнеупорных материалов

Огнеупорами называются строительные материалы, деформирующиеся при температуре не ниже 1580° С и способные противостоять длительному воздействию высоких температур без изменения своих физико-механических свойств.

При сооружении металлургических печей наряду с обычными строительными материалами — железобетоном, бетоном, строительным кирпичом — широко используются материалы специального назначения — огнеупорные, теплоизоляционные, жаропрочные металлы. Из них наибольшее значение в металлургии имеют огнеупоры, так как металлы и сплавы в большинстве случаев получают при высокой температуре, и производительность печей во многом зависит от качества применяемых огнеупоров.

По химико-минералогическому составу

По химико-минералогическому составу огнеупоры делятся на следующие группы.

  • Кремнеземистые — динасовые (не менее 92% SiO2), изготавливаемые из кварцитовых материалов (главным образом из кварцита).
  • Алюмосиликатные, изготавливаемые из огнеупорных глин и каолинов, к которым относятся шамот (до 45% Al2O3 ) и высокоглиноземистые огнеупоры (свыше 45% Al2O3).
  • Магнезиальные, изготавливаемые из минералов, содержащих магнезит, с различными связующими добавками. Сюда входят магнезитовые (не менее 85% MgO), доломитовые (не менее 35% MgO и 40% CaO), форстеритовые (от 35 до 55%MgO и Cr2O3), шпинельные(MgO и Al2O3 в молекулярном соотношении) огнеупоры.
  • Хромистые, к которым относятся хромитовые (около 30% Cr2O3) и хромомагнезитовые (10 — 30% Cr2O3 и 30 — 70% MgO) изделия.
  • Углеродистые, в состав которых входит в том или ином количестве углерод, — графитовые (30 — 60% С), коксовые (70 — 90% С).
  • Цирконистые: циркониевые, изготавливаемые из ZrO2 и цирконовые, изготавливаемые из минерала Zr2O3•SiO2.
  • Окисные — изделия из окиси бериллия, окиси тория и окиси церия.
  • Карбидные и нитридные, к которым относятся карборундовые (30—90% SiC) огнеупоры и огнеупоры из нитридов, карбидов и сульфидов.

По степени огнеупорности

По степени огнеупорности материалы делятся на три группы:

  • огнеупорные (1580—1750° С);
  • высокоогнеупорные (1770—2000° С);
  • высшей огнеупорности (>2000° С).

Согласно ГОСТ 4385 — 68 материалы огнеупорные в свою очередь делятся на классы:

  • Класс 0 – огнеупорность не менее 1750° С;
  • Класс А – огнеупорность не менее 1730° С;
  • Класс Б – огнеупорность не менее 1670° С;
  • Класс В – огнеупорность не менее 1580° С.

По термической обработке

По термической обработке огнеупорные изделия делятся на:

  • обжиговые (обожженные после формовки);
  • безобжиговые;
  • литые плавленые.

По способу изготовления

По способу изготовления огнеупоры делятся на:

  • формованные — форма придается при изготовлении (изделия огнеупорные и теплоизоляционные);
  • неформованные — форма приобретается в процессе применения (огнеупорные бетоны, набивные массы, обмазки);
  • огнеупорные растворы — наполнители швов огнеупорной кладки.

По сложности формы и размерам

По сложности формы и размерам штучные огнеупорные изделия делятся на следующие виды:

  • нормальный кирпич;
  • фасонное изделие;
  • крупные блоки;
  • специальные изделия (тигли, трубки и т. и.).

Основные свойства огнеупорных материалов

Пригодность тех или иных огнеупоров в каждом отдельном случае оценивается в зависимости от их основных физических и рабочих свойств.

Рабочими называют свойства огнеупоров, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым в данном конкретном случае. Основными свойствами огнеупоров являются огнеупорность, термическая стойкость, химическая стойкость, деформация под нагрузкой при высокой температуре и постоянство формы и объема, пористость, газопроницаемость, теплопроводность, электропроводность.

Огнеупорность

Определение огнеупорности с помощью пироскопов

Огнеупорностью называется способность материалов выдерживать высокие температуры, не деформируясь под действием собственного веса. При нагреве огнеупорный материал вначале размягчается вследствие плавления его легкоплавкой составляющей. При дальнейшем нагреве начинает плавиться основная масса, и вязкость материала постепенно уменьшается. Процесс плавления огнеупоров выражается в постепенном переходе из твердого состояния в жидкое, причем температурный интервал от начала размягчения до расплавления иногда достигает нескольких сот градусов. Поэтому для характеристики огнеупорности пользуются температурой размягчения.

Для этой цели при определении огнеупорности материалов используются керамические пироскопы (ПК). Пироскопы представляют собой трехгранные усеченные пирамиды высотой до 6 см с основанием в виде равностороннего треугольника со сторонами, равными 1 см.

Каждому пироскопу соответствует определенная температура размягчения, т. е. температура, при которой пироскоп размягчается настолько, что вершина его касается подставки (рис. 84). В маркировке пироскопов указывается его огнеупорность, уменьшенная в десять раз. Для определения огнеупорности материала из него изготавливают пирамидку по размерам пироскопа. Испытуемый образец вместе с несколькими пироскопами разных номеров устанавливают на подставке и помещают в электрическую печь. Испытание на огнеупорность сводится к наблюдению за размягчением (падением) образцов сравнительно с пироскопами при определенных условиях нагрева. Огнеупорность материала обозначается номером того пироскопа, с которым образец упал одновременно.

Деформация под нагрузкой при высоких температурах

В кладке печи огнеупоры испытывают в основном сжимающее усилие, увеличивающееся при нагреве печи. ДляЗависимость между деформацией огнеупоров под нагрузкой и температурой оценки механической прочности огнеупоров обычно определяют зависимость изменения величины деформации от температуры при постоянной нагрузке (рис. 85).

Испытания проводят на цилиндрическом образце высотой 50 и диаметром 36 мм при постоянной нагрузке 1,96•10Па. Результаты испытания представляют в виде графика зависимости изменения высоты образца от температуры. Для характеристики деформации отмечают температуру начала размягчения, когда высота образца уменьшается на 4%, температуру, соответствующую изменению высоты на 40%, и температурный интервал размягчения, представляющий разность этих двух температур.

Постоянство формы и объема

При нагреве огнеупоров в печах происходит изменение их объема под влиянием двух факторов — термического расширения и усадки (или роста). Термическое расширение большинства огнеупоров невелико. Гораздо значительнее изменение объема огнеупора при высоких температурах за счет происходящих превращений. Так, шамотные изделия дают усадку в результате образования некоторого количества жидкой фазы и уплотнения черепка. Обычно это уменьшение объема бывает больше, чем его термическое расширение, и приводит к увеличению швов. Динасовые изделия увеличивают объем при нагреве вследствие дополнительных процессов перекристаллизации. Рост объема изделия в процессе службы способствует уплотнению швов кладки. Изменение объема огнеупоров оценивают при нагревании точно измеренных образцов в печи.

Термическая стойкость

Термической стойкостью называется способность огнеупоров не разрушаться при резких изменениях температуры. Это особенно важно для огнеупоров, работающих в печах периодического действия. Термическая стойкость огнеупоров тем выше, чем больше коэффициент теплопроводности материала, его пористость и размер зерен и чем меньше температурный коэффициент линейного расширения, плотность, размеры изделия и изменения объема при аллотропических превращениях.

Для определения термической стойкости используют образец в форме кирпича. Образец нагревают 40 мин при 850° С, затем охлаждают 8— 15 мин. Цикл нагрева и охлаждения называется теплосменой. Охлаждение может быть только на воздухе (воздушные теплосмены) или сначала в воде 3 мин, затем на воздухе 5— 10 мин (водяные теплосмены). Нагрев и охлаждение проводятся до тех пор, пока потеря массы образца (из-за откалывания кусков) не достигнет 20%. Термическая стойкость оценивается количеством выдержанных теплосмен.

Химическая стойкость

Под химической стойкостью огнеупорных материалов понимается способность их противостоять разрушению от химического и физического воздействия образующихся в печи продуктов — металла, шлаков, пыли, золы, паров и газов. Наибольшее действие на огнеупоры в плавильных печах оказывают шлаки. По отношению к действию шлаков огнеупоры могут быть разделены на три группы — кислые, основные и нейтральные.

Кислые огнеупоры устойчивы к кислым шлакам, содержащим большое количество SiO2, но разъедаются основными шлаками. Кислым огнеупором является динас. Динас устойчив к действию окислительных и восстановительных газов.

Основные огнеупоры устойчивы к действию основных шлаков, но разъедаются кислыми. К ним относятся огнеупоры, содержащие известь, магнезию и щелочные окислы (доломит, магнезит и др.).

Нейтральные (промежуточные) огнеупоры, в состав которых входят аморфные окислы, реагируют как с кислыми, так и с основными шлаками, незначительно меньшей степени, чем кислые и основные. К ним относится хромистый железняк, содержащий в качестве основной составляющей FeO·Cr2O3.

Шлакоустойчивость

Шлакоустойчивость огнеупоров зависит от скорости химических реакций огнеупора со шлаком и от вязкости шлака. При вязких шлаках и малой скорости реакций огнеупорное изделие может работать хорошо. С повышением температуры скорость химических реакций увеличивается, а вязкость шлаков уменьшается, поэтому даже небольшое повышение температуры (на 25—30° С) приводит к существенному увеличению коррозии огнеупоров. Пористые изделия с открытыми порами менее шлакоустойчивы, чем более плотные. Наружная гладкая поверхность корки кирпича лучше сопротивляется действию шлаков, чем шероховатая поверхность изломов. Трещины в изделии также понижают его шлакоустойчивость.

Для определения шлакоустойчивости применяют два метода — статический и динамический. При статическом методе в огнеупорном изделии высверливают цилиндрическое отверстие, в которое насыпают тонкоизмельченный шлак. Изделие нагревают в печи до его рабочей температуры (но не ниже 1450° С) и выдерживают при этой температуре 3—4 ч. О шлакоустойчивости судят качественно по степени растворения изделия в шлаке и глубине его проникновения в изделие. При динамическом методе на испытуемый огнеупорный кирпич, установленный в печи вертикально, при температуре 1450° С в течение 1 ч сыпят порошкообразный шлак (1 кг). Расплавляясь и стекая по поверхности кирпича, шлак проедает в нем борозды. Шлакоразъедаемость определяется по потере объема (в кубических сантиметрах) с учетом дополнительной усадки кирпича.

Теплопроводность

Зависимость между коэффициентом тепло проводности огнеупоров и температуройВ зависимости от целей, для которых используется огнеупор, теплопроводность его должна быть высокой или низкой. Так, материалы, предназначенные для футеровки печей, должны иметь низкую теплопроводность для уменьшения тепловых потерь в окружающее пространство и повышения к. п. д. печи. Однако материалы для изготовления тиглей и муфелей должны иметь высокую теплопроводность, уменьшающую перепад температуры в их стенках.

При повышении температуры теплопроводность большинства огнеупоров возрастает (рис. 86). Исключение составляют магнезитовые, и карборундовые изделия, теплопроводность которых при этом уменьшается. Теплопроводность всех огнеупоров уменьшается с увеличением пористости. Однако при высокой температуре (выше 800—900° С) увеличение пористости мало влияет на теплопроводность. Приобретают влияние конфигурация и размер пор, определяющие конвективную теплопередачу внутри пор. Увеличение содержания кристаллической фазы в материале приводит к увеличению теплопроводности.

Электропроводность

Электропроводность является определяющим параметром огнеупоров, применяемых для футеровки электрических печей. При нормальных температурах обычно все огнеупорные материалы являются хорошими диэлектриками. При повышении температуры их электропроводность быстро возрастает, и они становятся проводниками. Электропроводность материалов с большой пористостью при высоких температурах уменьшается.

Теплоемкость

Теплоемкость огнеупоров определяет скорость нагрева и охлаждения футеровки и затраты тепла на нагрев. Это имеет особенно важное значение при работе печей периодического действия. Теплоемкость зависит от химико-минералогического состава огнеупоров. Определяется она калориметрическим методом. Теплоемкость обычно незначительно растет с увеличением температуры. Среднее ее значение лежит в пределах 0,8—1,5 кДж/(кг·К).

Пористость

Все огнеупорные изделия пористы. Размер пор, их структура и количество весьма разнообразны. Отдельные поры либо соединены между собой и с атмосферой, либо представляют собой замкнутые пространства внутри изделия. Отсюда различают пористость открытую, или кажущуюся, при которой поры сообщаются с атмосферой, пористость закрытую, когда поры не имеют выхода наружу, и пористость истинную, или общую, т. е. суммарную.

Открытую пористость вычисляют на основе данных измерения водопоглощения и объемной массы огнеупорных изделий.

Газопроницаемость

Газопроницаемость зависит от природы огнеупора, величины открытой пористости, однородности структуры изделия, температуры и давления газа. С повышением температуры газопроницаемость огнеупоров понижается, так как объем газа при этом возрастает и увеличивается его вязкость. Огнеупоры должны обладать возможно меньшей газопроницаемостью, особенно те, которые применяются для изготовления реторт, муфелей, тиглей. Наибольшая газопроницаемость у шамотных изделий, наименьшая у динаса.

Плотность и объемная масса

Плотность материала — это отношение массы образца к занимаемому им объему за вычетом объема пор. Объемная масса — это отношение массы высушенного при 105° С образца к занимаемому им объему, включая объем пор.

Внешний вид и структура

Все огнеупорные изделия делятся на сорта в соответствии с разработанными стандартами. Сорт огнеупорных изделий устанавливают по величине отклонения от установленных размеров, кривизне, отбитости углов, притупленности ребер, наличию отдельных выплавок, ошлакованности, просечкам и трещинам. Отклонения в размерах допускаются в пределах норм, указанных в соответствующих стандартах в зависимости от сортности. Кривизна изделий определяется стрелой прогиба. Очевидно, что чем больше будет кривизна, тем менее плотной окажется кладка. Отбитость углов и притупленность ребер также отрицательно влияют на качество кладки.

Выплавка представляет собой местное оплавление поверхности огнеупора с образованием «каверны». Причиной выплавок является недостаточно хорошее перемешивание шихты при изготовлении огнеупора. В местах выплавок происходит быстрое разрушение шлаками даже при сравнительно низкой температуре, поэтому число выплавок на поверхности изделия строго ограничивается.

Ошлакованность образуется на поверхности изделия в виде наростов как результат загрязнения ее при обжиге песком, глиной и т. д. Наличие ошлакованности на поверхности изделий также ограничивается.

Просечки (разрывы шириной до 0,5 мм) и трещины (разрывы шириной больше 0,5 мм) на поверхности огнеупорных изделий увеличивают коррозию шлаками и уменьшают их механическую прочность. Они образуются в процессе обжига при неосторожном нагреве илиохлаждения изделия.

Огнеупорный материал хорошего качества должен иметь в изломе однородное строение без пустот и расслоений. Зерна разных фракций должны равномерно распределяться по поверхности излома, не выпадая и легко не выкрашиваясь.

При выборе того или иного материала необходимо руководствоваться основными требованиями к нему в каждом конкретном случае. Так, материал для стенок и свода плавильной печи должен прежде всего обладать высокой механической прочностью. Для откосов печи следует применять огнеупор, более стойкий к действию шлаков, образующихся при данном металлургическом процессе.

При выборе огнеупоров следует учитывать их стоимость. Сравнительная стоимость 1 т некоторых огнеупорных кирпичей 1-го сорта по отношению к стоимости динасового кирпича следующая:

сравнительная стоимость

Транспортировка и хранение огнеупорных изделий

При доставке к потребителю правильные транспортировка и хранение готовых огнеупорных изделий обеспечивают их сохранность, хорошее качество кладки и неизменность рабочих характеристик. При перевозке в вагонах огнеупорный кирпич укладывается рядами плотно по всей площади вагона с расклиниванием. Между рядами прокладывается солома или древесная стружка. При перевозке в автомашинах кирпич также плотно укладывается рядами с расклиниванием деревянными клиньями. В последнее время применяется транспортировка кирпича в контейнерах, что улучшает его сохранность и облегчает погрузочно-разгрузочные работы. При транспортировке кирпичей к рабочим местам на транспортерах и лотках они не должны ударяться друг о друга и о детали транспортирующих устройств.

Мертели и порошки перевозят в контейнерах, бумажных мешках, или навалом в чистых вагонах.

Склады для хранения огнеупорных изделий должны быть закрытыми. При хранении на открытом воздухе вследствие попеременного увлажнения и высыхания, замерзания и оттаивания рабочие характеристики огнеупоров ухудшаются. Уменьшение сопротивления сжатию после года хранения на открытом воздухе составляет для шамота 27—30%, для динаса 35%, для магнезитовых изделий 30%. Допускается в летнее время хранить шамотные и динасовые изделия в полузакрытых складах. Огнеупорные порошки и мертели хранят в закрытых складах в отдельных закромах.

Неформованные огнеупоры и огнеупорные растворы

Неформованные огнеупоры представляют собой смеси порошкообразного огнеупорного наполнителя и связующей добавки.

Применение неформованных огнеупорных материалов позволяет упростить процесс футеровки металлургических печей, включая выполнение сложных элементов, повысить химическую стойкость футеровки и уменьшить ее газопроницаемость благодаря отсутствию швов, ускорить ремонт печей. Широкое применение они нашли при
устройстве пода и свода печей, футеровки индукционных печей, желобов для выпуска расплава и других элементов сложной конфигурации.

К неформованным огнеупорам относятся огнеупорные бетоны, пластичные и непластичные набивные массы.

Огнеупорные бетоны, в которых в качестве связующего материала используют цементы, твердеют на воздухе при нормальной температуре в присутствии воды. Укладку бетона осуществляют при небольшом уплотнении. Получаемая высокая прочность на воздухе не имеет стабильной керамической связи, подобно огнеупорным изделиям, поэтому бетон изменяет свою структуру и свойства при нагреве. Этим объясняется некоторое уменьшение прочности бетона при разогреве. В качестве цементов используются портландцемент, глиноземистый, магнезиальный и высокоглиноземистый цементы. Наполнителями могут быть различные огнеупорные материалы, выбираемые в зависимости от условий работы и материала цемента. Огнеупорность бетона определяется огнеупорностью наполнителя.

При применении в бетонах портландцемента следует учитывать уменьшение их прочности и разрушение при нагреве выше 600° С в связи с полиморфными превращениями компоненты цемента 2CaO•SiO2. Введение стабилизирующих добавок, содержащих SiO2 или Al2O3, позволяет получить бетон с достаточной механической
прочностью при нагреве. Бетоны на стабилизированном портландцементе с шамотным наполнителем могут использоваться до температуры 1400° С, а с хромомагнезитовым наполнителем — до 1700° С.

Наиболее широко при изготовлении бетонов применяют глиноземистый цемент, обладающий большой скоростью твердения. Так как в процессе твердения бетон сильно разогревается, его нужно поливать водой. Для этого бетона характерна значительная потеря механической прочности при нагревании в интервале температур 500—1100° С, поэтому его следует применять при более высоких температурах. Бетоны на глиноземистом цементе с шамотным наполнителем рекомендуется применять при температуре 1150—1400° С. Бетон на высокоглиноземистом и хромомагнезитовом наполнителе применяют при температуре 1400— 1700° С.

Магнезиальный цемент используется для изготовления высокоогнеупорных бетонов при магнезитовом или хромомагнезитовом наполнителе. Огнеупорность такого бетона 1900° С.

В последнее время стали применять бетоны на фосфатных связках — ортофосфорной или фосфорной кислотах. В качестве наполнителей в этом случае используются высококачественные полностью обожженные огнеупоры: высокоглиноземистый шамот, плавленый кремнезем высокой чистоты и др. Бетоны на фосфатной связке имеют повышенную огнеупорность, высокую термостойкость и износостойкость. Эти бетоны быстро затвердевают и приобретают механическую прочность при низких температурах и хорошо схватываются с различными огнеупорами.

В пластичных набивных массах связкой служат пластичные огнеупорные глины. Наполнителями могут быть любые огнеупорные материалы. Наиболее широкое применение получили шамотовые, высокоглиноземистые, хромитовые и в особо ответственных случаях углеродистые материалы. Для пластичных набивных масс характерны значительные усадки при нагреве, что объясняется большим содержанием глины. Прочность их возрастает по мере увеличения температуры за счет изменений, происходящих в глинистой связке. Укладку набивных масс осуществляют ручным трамбованием или пневмотрамбовкой.

В непластичных набивных массах связующими веществами служат водные растворы солей: сернокислый и хлористый магний, фосфорная кислота, различные фосфаты, борная кислота, жидкое стекло и некоторые органические вещества. Они обеспечивают временную небольшую прочность материала при нормальной температуре и образуют при высокой температуре плавни, ускоряющие перекристаллизацию основного огнеупорного материала с получением большой прочности. Применение в качестве связующего вещества каменноугольного пека и смолы позволяет при нагреве создать углеродистую связку, повышающую сопротивляемость набивных масс разъедающему действию расплавов.

Укладку непластичной огнеупорной набивной массы проводят под большим давлением пневмотрамбовкой, а при футеровке больших площадей — вибратором. Огнеупорные набивные массы применяются в местах с тяжелыми условиями работы, где требуется высокая износостойкость футеровки и шлакоустойчивость, а также в местах, где требуется высокая точность размеров. Они широко используются для футеровки индукционных печей, изготовления подин печей, для выплавки цветных металлов, загрузочных отверстий вращающихся обжиговых печей, отверстий в сводах дуговых печей.

Огнеупорные растворы — это массы, используемые для заполнения швов в кладке печи, что обеспечивает ей механическую прочность и монолитность. По густоте растворы делятся на жидкие, полугустые и густые. Чем больше толщина шва, тем гуще должен быть раствор для его заполнения. Жидкие растворы применяются при толщинах шва в 1—2 мм, что имеет место при очень плотных кладках. Требования, предъявляемые к свойствам растворов, — высокая огнеупорность, близкая к огнеупорности материала кладки, высокая температура начала размягчения и хорошая шлакоустойчивость.

Основные компоненты растворов — порошок огнеупорного материала и пластичная огнеупорная глина, затворенные водой. Для динасовой кладки раствор составляют из тонкоразмолотого динасового порошка (85—90%) и высококачественной огнеупорной глины (10—15%); шамотный раствор содержит порошок шамота (70—85%) и огнеупорную глину (15—30%) и т. д. При температуре выше 800° С происходит спекание раствора с материалом кладки. Растворы могут быть приготовлены затворением водой готовых сухих смесей — мертелей, состав которых установлен ГОСТом. В некоторых случаях бывает необходимо получить прочную кладку при нормальной температуре. Это обеспечивается применением воздушно-твердеющих растворов и мертелей, получаемых добавлением в их состав цементов.

Растворы не применяются только для магнезитовых и хромомагнезитовых огнеупоров. Их кладут насухо с засыпкой швов магнезитовым или хромомагнезитовым порошком.

Огнеупорные обмазки. Для уплотнения кладки и уменьшения ее газопроницаемости, а также для защиты кладки от воздействия печной среды и как изоляционное покрытие применяются огнеупорные обмазки. Отсюда по назначению обмазки можно разделить на три группы — уплотнительные, изоляционные и защитные.

Уплотнительные и изоляционные обмазки наносятся на предварительно очищенную наружную поверхность кладки слоем в 2—4 мм при температуре поверхности не выше 100°С. Защитными обмазками слоем в 2—3 мм покрывают внутреннюю поверхность кладки в основном нагревательных и термических печей. Возможно использование их для заделки небольших отверстий в кладке при горячем ремонте, когда они наносятся под давлением с помощью специальных торкрет-аппаратов. Огнеупорные обмазки состоят из тонкодисперсных огнеупорных порошков, огнеупорных глин и клеящих веществ, обычно жидкого стекла. В состав уплотнительных и изоляционных обмазок вводят еще и асбест в количествах 15 и 40% соответственно. Схватывание и твердение обмазок происходит в результате высыхания и спекания массы при нагреве.

Изделия высшей огнеупорности

Изделиями высшей огнеупорности являются изделия из чистых окислов, а также некоторые нитриды, карбиды, бориды и сульфиды. Потребность в них определилась использованием в современной технике тугоплавких редких металлов, таких как титан, цирконий, тантал, ниобий, молибден, уран, торий высокой чистоты.

Окисные огнеупоры. Окись бериллия (BeO) имеет температуру плавления 2530° С. Изделия из BeO, обожженные при 1900° С, отличаются высокой термостойкостью и теплопроводностью, малой пористостью (кажущаяся пористость менее 6 %, причем открытая пористость отсутствует). Газопроницаемость их незначительна, поэтому они могут быть использованы в установках дистилляции металлов в вакууме.

Окись тория (ThO2) имеет температуру плавления 3300° С. Изделия из ThO2, обожженные при температуре 1500° С, обладают большой плотностью и высокой огнеупорностью (3000° С), однако малой термической стойкостью, так как при малой теплопроводности имеют большой коэффициент линейного расширения. Окись тория применяется для изготовления высокотемпературных нагревателей электрических печей сопротивления.

Карбиды. Карбиды многих металлов обладают высокой температурой плавления и значительной химической стойкостью. Карбид титана (TiC) имеет температуру плавления 3140° С. Тигли из карбида титана с добавкой 1% Na2SiO3 и 2,5% порошка железа применяются для плавки тугоплавких и химически активных металлов (натрий и др.).

Бориды. В металлургии нашли применение изделия из боридов циркония и хрома. Борид циркония (ZrB2) имеет температуру плавления 3040° С. Изделия из борида циркония устойчивы к воздействию азотной и соляной кислот, а также расплавленных металлов