Магнезитовый кирпич и огнеупорные изделия на основе магнезии для высокотемпературного применения

Магнезитовый кирпич представляет собой основной огнеупорный материал, изготавливаемый из спеченного магнезита чистотой более 87%. В структуре магнезитового кирпича основной кристаллической фазой выступает периклаз, тогда как микроструктуру формируют вторичные фазы — такие как сложный шпинель, монтичеллит, форстерит, а также небольшое количество стеклофазы. Магнезитовый кирпич демонстрирует высокую устойчивость к щелочным средам, однако обладает низкой стойкостью к кислым средам. Такие вещества, как B₂O₃ (оксид бора), оказывают на магнезитовый кирпич сильное флюсующее воздействие. Даже следовые количества B₂O₃ в составе кирпича могут снизить его сопротивление ползучести при температурах в диапазоне от 1200°C до 1250°C.

Связующая фаза магнезитового кирпича относится преимущественно к системе CMS-M₂S, что обеспечивает материалу хорошую теплопроводность. С повышением температуры теплопроводность магнезитового кирпича снижается, в то время как его теплоемкость возрастает. Магнезитовый кирпич отличается высокой огнеупорностью — как правило, свыше 2000°C, — однако температура начала деформации под нагрузкой составляет для него около 1550°C. Кроме того, магнезитовый кирпич обладает сравнительно невысокой термостойкостью (устойчивостью к тепловым ударам). Эксплуатационные характеристики магнезитового кирпича зависят от свойств исходного сырья, минерального состава и микроструктуры, а также тесно коррелируют с его плотностью.

Для производства магнезито-кремнеземистого кирпича в качестве исходного сырья используется высококремнеземистый магнезит, содержание SiO₂ в котором обычно варьируется от 5% до 11%. Данный состав определяет набор минеральных фаз и эксплуатационные свойства кирпича при его использовании в конкретных областях применения.

Исходное сырье и процесс производства

Производители изготавливают магнезитовый кирпич путем дробления магнезитового сырья на крупнозернистые фракции (заполнитель) и мелкодисперсные порошки. Материалы дозируются в строгом соответствии с утвержденной рецептурой; затем к ним добавляются связующие компоненты, после чего смесь тщательно перемешивается до получения однородной массы. Полученная смесь подвергается формованию, сушке и последующему обжигу, в результате чего формируется спеченный магнезитовый кирпич. Температура обжига для обычного магнезитового кирпича составляет от 1500°C до 1650°C, тогда как для производства высокочистого магнезитового кирпича требуются более высокие температуры — в диапазоне от 1700°C до 1900°C. Производство химически связанного магнезиального кирпича осуществляется по аналогичной технологической схеме, однако вместо высокотемпературного спекания в нем используются химические связующие. Данный тип магнезиального кирпича не требует высоких температур обжига; для получения неформованного (необожженного) магнезиального изделия достаточно лишь соответствующей низкотемпературной термообработки.

Магнезиальный кирпич обладает низкой устойчивостью к гидратации. При контакте с водой происходит легкое гидратирование материала, что приводит к образованию трещин и снижению прочности. В связи с этим производители и потребители обязаны обеспечивать защиту магнезиального кирпича от воздействия влаги, дождя и снега в процессе его хранения и транспортировки.

Магнезиально-хромитовый кирпич

Магнезиально-хромитовый кирпич представляет собой огнеупорное изделие основного характера, содержащее 55–80% MgO и 8–20% Cr₂O₃. Основными кристаллическими фазами в структуре магнезиально-хромитового кирпича являются периклаз и сложный шпинель (XO·Y₂O₃). В данной структуре компонент XO представлен преимущественно MgO и FeO, тогда как компонент Y₂O₃ состоит главным образом из Cr₂O₃, Al₂O₃ и Fe₂O₃. Молярное соотношение XO и Y₂O₃ является приблизительно равным, при этом избыток Y₂O₃ растворяется в кристаллической решетке сложного шпинеля. Также в составе присутствуют незначительные количества силикатных фаз, таких как форстерит и монтичеллит.

Магнезиально-хромитовый кирпич изготавливается с использованием высококачественной спеченной магнезии и хромита в качестве основного сырья. Содержание Cr₂O₃ в хромите, как правило, варьируется в пределах 15–30%, а содержание CaO — в пределах 1–5%. Технологический процесс производства магнезиально-хромитового кирпича аналогичен процессу производства обычного магнезиального кирпича. При изготовлении химически связанного магнезиально-хромитового кирпича в качестве связующих компонентов используются водные растворы неорганических солей магния.

В процессе обжига в результате реакций между MgO и такими оксидами, как Cr₂O₃, Al₂O₃ или оксиды железа, образуются шпинельные фазы; этот процесс может сопровождаться эффектами расширения материала и разуплотнения его структуры. Для предотвращения возникновения подобных проблем может применяться предварительно синтезированный магнезиально-хромитовый клинкер. Обжиг изделий необходимо проводить при температуре свыше 1600°C в окислительной атмосфере. В случае изменения состава газовой среды оксид железа (Fe₂O₃), содержащийся в хромите, может вступать в окислительно-восстановительные реакции с образованием иных оксидов железа; кроме того, возможно восстановление оксида хрома (Cr₂O₃) до иных валентных состояний. Эти повторяющиеся реакции могут повредить магнезиально-хромовый кирпич, поэтому обычно предпочтение отдается изделиям с более высоким содержанием MgO и более низким содержанием Cr₂O₃.

Типы магнезиально-хромового кирпича

В зависимости от сырья и производственных процессов магнезиально-хромовый кирпич можно классифицировать на несколько типов:

Литой магнезиально-хромовый кирпич

Литой магнезиально-хромовый кирпич производится методом электроплавки и литья магнезии и хромита. Этот тип магнезиально-хромового кирпича имеет крупные, но изолированные поры, высокую плотность, высокую прочность и высокую коррозионную стойкость. Литой магнезиально-хромовый кирпич чувствителен к изменениям температуры, но обладает хорошей термической стабильностью и высокой температурой размягчения под нагрузкой.

Магнезиально-хромитовый кирпич с прямым связыванием

Магнезиально-хромитовый кирпич с прямым связыванием изготавливается из спеченной магнезии и хромита с низким содержанием SiO₂. Обжиг изделия производится при температурах выше 1700°C, что обеспечивает формирование прямого связывания между зернами периклаза и хромита. Типичные характеристики включают: содержание MgO — 82,61%, Cr₂O₃ — 8,72%, SiO₂ — 2,02%; кажущаяся пористость — 15%; насыпная плотность — 3,08 г/см³; прочность при сжатии — 59,8 МПа; температура размягчения под нагрузкой — 1765°C; термостойкость (закалка в воде с 1100°C) — 14 циклов; прочность при изгибе — 8,33 МПа.

Магнезиально-хромитовый кирпич с силикатным связыванием

Магнезиально-хромитовый кирпич с силикатным связыванием производится с использованием спеченной магнезии и хромита в соответствующих пропорциях и обжигается при температуре около 1600°C. Минеральный состав включает периклаз, шпинель и небольшие количества силикатов. Типичный химический состав включает: SiO₂ — 2,98–4,50%, MgO — 61,75–72,69%, Cr₂O₃ — 10,04–14,90%. Кажущаяся пористость варьируется от 18% до 21%, прочность при сжатии — от 36,1 до 50,0 МПа, а температура размягчения под нагрузкой — от 1600°C до 1640°C.

Переспеченный и полупереспеченный магнезиально-хромитовый кирпич

Переспеченный магнезиально-хромитовый кирпич изготавливается из плавленого магнезиально-хромитового клинкера методом повторного спекания. Структура изделия содержит равномерно распределенные поры и мелкозернистые фазы матрицы с микротрещинами, что повышает устойчивость к термоударам по сравнению с плавлеными литыми изделиями. Полупереспеченный магнезиально-хромитовый кирпич сочетает в себе характеристики переспеченного типа и типа с прямым связыванием. Типичные свойства могут варьироваться, но, как правило, демонстрируют сбалансированные показатели прочности и термической стойкости.

Магнезиально-хромитовый кирпич с предварительным взаимодействием компонентов

При производстве магнезиально-хромитового кирпича с предварительным взаимодействием компонентов используется полностью или частично предварительно прореагировавший магнезиально-хромитовый клинкер. В процессе обжига между магнезией и хромитом протекают частичные реакции, что приводит к снижению пористости и повышению высокотемпературной прочности материала. Данный тип изделий отличается более низкой себестоимостью производства по сравнению с пересвязанными огнеупорами.

Химически связанный (необожженный) магнезиально-хромитовый кирпич

Необожженный магнезиально-хромитовый кирпич изготавливается путем смешивания спеченной магнезии и хромита с химическими связующими компонентами с последующим твердением при низких температурах. Некоторые виды изделий затвердевают при комнатной температуре, тогда как другие требуют умеренного нагрева. В процессе эксплуатации при высоких температурах в материале формируются керамические связующие фазы, что способствует улучшению его эксплуатационных характеристик. Типичные свойства данного материала включают: содержание MgO — 52,73%, Cr₂O₃ — 18,08%, SiO₂ — 5,0%; кажущаяся пористость — 10,9%; прочность на сжатие — 58 МПа; температура размягчения под нагрузкой — 1520–1530°C.