2013-06-12

1

Materiały Ogniotrwałe

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Materiały Ogniotrwałe

…

to wyroby ceramiczne przeznaczone do ciągłej pracy w wysokich

temperaturach;

- elementy urządzeń np. w przemyśle metalurgicznym, szklarskim,
cementowym;
- niezbędne cechy decydujące o ich aplikacji to odporność termiczna
(brak pełzania), odporność chemiczna w stosunku do gazów, pyłó, żużli i
stopów, dostatecznie dobre właściwości mechaniczne; powtarzalność
zmian wielkości i kształtów,
- stosowane w postaci wyrobów formowanych przez wypalanie lub
wiązanych chemicznie (kształtki, cegły!) oraz jako masy;

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Ognotrwałość

… jest podstawową właściwością odróżniającą materiały ogniotrwałe od
innych tworzyw ceramicznych;

Ogniotrwałość zwykła

– jest to temperatura początku topienia

substancji, objawiająca się jej deformacją pod własnym ciężarem. W
Polsce przyjęto, że jest to temperatura 1500



C (150 sP);

Ogniotrwałość pod obciążeniem

– to najwyższa temperatura przy której

nie występuje jeszcze deformacja materiału ogniotrwałego poddanego
ściskaniu pod ciśnieniem 0,2 MPa.

Jak zmierzyć ogniotrwałość zwykłą?

2013-06-12

2

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Ogniotrwałość

Stożek pirometryczny

, stożek ceramiczny, stożek Segera - trójścienny

ostrosłup ścięty o normowych wymiarach,

wzorzec

oznaczania

ogniotrwałości temperatury wypalania wyrobów ceramicznych, numer
stożka odpowiada temperaturze, w której zgina się i jego wierzchołek
dotyka podstawy.

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych

Materiały ogniotrwałych bazują głownie na podstawowych tlenkach:

SiO

2

, Al

2

O

3

, MgO, CaO, Cr

2

O

3

mniej wykorzystywane są

SiC,

ZrO

2

, C

Na podstawie odporności chemiczną materiały ogniotrwałe dzieli się na:

kwaśne

,

obojętne

,

zasadowe

.

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby krzemionkowe

• głównym składnikiem jest dwutlenek krzemu z różnymi domieszkami,
• podstawowym surowcem do produkcji są kwarcyty,
• są wrażliwe na wstrząsy cieplne zwłaszcza poniżej 600



C,

• posiadają wysoką odporność na działanie kwaśnych żużli i par kwasów;
• służą do budowy sklepień pieców szklarskich, ceramicznych pieców
tunelowych w strefie wypalania w przemyśle hutniczym, w
koksownictwie i gazownictwie;

2013-06-12

3

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby glinokrzemianowe

obejmują kilka typów materiałów odpowiadających różnym proporcjom
dwu głównych składników - SiO

2

i Al

2

O

3

:

o

wyroby

kwarcowo-szamotowe

z dużą przewagą krzemionki,

o

wyroby

szamotowe

zawartość SiO

2

jest również większa niż Al

2

O

3

,

jednak przy bardziej wyrównanych proporcjach ilościowych,

o

wyroby w

ysokoglinowe

cechują się przewagą Al

2

O

3

,

o

wyroby

korundowe

zawierają prawie czysty tlenek glinu,

Surowce do produkcji: gliny ogniotrwałe, kaoliny i łupki, tlenek glinu
oraz naturalne, bezwodne krzemiany glinu.

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby glinokrzemianowe

•

wyroby szamotowe

cechuje wysoka ogniotrwałość, dobra odporność na

nagłe zmiany temperatury, obojętny charakter chemiczny, znajdują
zastosowanie w przemyśle hutniczym (wyłożenia wielkich pieców i
nagrzewnic wielkopiecowych) cementowym (w piecach do wypalania
klinkieru cementowego w strefach podgrzewania i dekarbonizacji)
szklarskim (piece wannowe i donicowe) w piecach ceramicznych.

Szamot

– grupa materiałów otrzymywana z mieszaniny

gliny ogniotrwałej o wysokiej zawartości kaolinitu z

wypaloną i zmielona gliną ogniotrwałą.

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby glinokrzemianowe

•

wyroby wysokoglinowe

(mullitowe, andaluzytowe, boksytowe)

mają

bardzo wysoką ogniotrwałość i bardzo dobre właściwości mechaniczne.
Znajdują zastosowanie w: cementownictwie (piece obrotowe), w
przemyśle szklarskim (wanny, górne części pieców), w ceramicznych
piecach tunelowych (palniki, ściany mufli), w umeblowanie pieców
ceramicznych (osłony, wsporniki, płyty do wypalania) w hutnictwie
(wielkie piece, kopuły nagrzewnic, kadzie surówkowe, sklepienia pieców
elektrycznych);

2013-06-12

4

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby glinokrzemianowe

•

wyroby korundowe

mają najlepsze właściwości ogniotrwałe i

mechaniczne, znajdują zastosowania jako osłony, płyty, kształtki
palnikowe …

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby zasadowe

o wysokiej zawartości wolnego tlenku zasadowego, MgO, a czasem także
CaO dzieli się na:
o

magnezjowe

(MgO),

o

chromomagnezjowe

(MgO i Cr

2

O

3

),

o

wapienno-magnezjowe

(CaO i MgO),

o

krzemianowo-magnezjowe

(MgO, SiO

2

rzadko CaO),

Podstawowymi surowcami do produkcji są: magnezja tzw. syntetyczna,
magnezyty, chromity, dolomity i skały magnezjowo-krzemianowe.

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby zasadowe

•

magnezjowe

produkowane są z mas na bazie klinkieru magnezytowego

lub peryklazowego (w praktyce są to mieszaniny kilka rodzajów
klinkieru) spajanych lepiszczem organicznym (0,5-1,5 % ługu
posiarczynowego). Znajdują zastosowanie w przemyśle cementowym
(strefy spiekania w piecach obrotowych), w piecach do prażenia wapna
(szybowe i obrotowe), w piecach szklarskich (regeneratory), w
metalurgii (trzony i ściany pieców martenowskich).

Klinkier

– wypalane tworzywa ceramiczne wytwarzane

z glin wapienno-żelazistych, wapienno-magnezjowych

lub żelazistych.

2013-06-12

5

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby zasadowe

•

chromomagnezjowe

to tworzywa dwufazowe składające się z

peryklazu (MgO) i spinelu magnezowo-chromowego (MgCr

2

O

4

). Źródłem

fazy spinelowej jest ruda chromowa (wprowadzana do masy w ilości 20 –
70%, a w przypadku tworzyw chromitowych, nawet do 90-95%) zaś fazy
magnezowej

klinkier

(półprodukt

otrzymywanego

w

trakcie

wcześniejszego spiekania). Wykorzystanie w piecach obrotowych do
produkcji cementu, w piecach stalowniczych, w piecach do topienia
miedzi.

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby karborundowe

głównym składnikiem jest sztucznie wytwarzany węglik krzemu, SiC.
Wyroby karborundowe cechują się bardzo dobrą przewodnością cieplną,
wysoką odpornością na działanie stopionych żużli, odpornością na nagłe
zmiany temperatury. Znajdują zastosowanie jako wymienniki ciepła w
różnych rodzajach pieców, umeblowanie pieców ceramicznych, rolki w
piecach do wypalania płytek, tygle …

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby węglowe

głównym składnikiem jest węgiel a surowcem do produkcji – koks,
antracyt lub grafit. Wyroby węglowe przy niskim ciężarze właściwym
wykazują bardzo dobrą odporność na wstrząsy cieplne, dobre
właściwości mechaniczne w atmosferach redukcyjnych. Produkuje się z
nich trzony i gary wielkich pieców, piece do topienia ołowiu, aluminium i
antymonu …

2013-06-12

6

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Podział Materiałów Ogniotrwałych – Kryterium Chemiczne

Wyroby cyrkonowe

złożone z ortokrzemianu cyrkonu (ZrSiO

4

) lub częściowo

stabilizowanego dwutlenek cyrkonu (tworzywa typu PSZ). Surowcem jest
piasek cyrkonowy lub naturalny badelleit. Wyroby cyrkonowe znajdują
zastosowanie jako wylewy w kadziach pośrednich do ciągłego odlewania
stali, tygle do topienia metali, roli do płytek …

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Kryteria Doboru Materiałów Ogniotrwałych

Miejsce zastosowania materiału ceramicznego zależy od zespołu jego
cech chemicznych i fizycznych.


Gdy agresywne środowisko pracy:
• ma charakter

kwaśny

stosuje się materiały ogniotrwałe o charakterze

kwaśnym

(SiO

2

);

• a tam gdzie występują żużle

zasadowe

stosuje się materiały

ogniotrwałe o charakterze

obojętnym

(Al

2

O

3

) lub

zasadowym

(CaO,

MgO);

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Produkcja Materiałów Ogniotrwałych

Sposoby wytwarzania

materiałów formowanych:

• formowanie maszynowe lub ręczne z mas plastycznych,
• prasowanie lub ubijanie z mas mało plastycznych lub nieplastycznych,
• odlewanie z mas lejnych w formach gipsowych,
• prasowanie z dodatkiem substancji termoplastycznych, np. parafiny,

wosku itp.,

• prasowanie na gorąco,
• topienie w piecach elektrycznych i odlewanie na gorąco,
• wycinanie z bloków skalnych (np. łupku kwarcytowego) lub z bloków

otrzymanych metodą topienia,

2013-06-12

7

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Produkcja Materiałów Ogniotrwałych

Strategia produkcji materiałów ogniotrwałych – minimalizacja skurczu
przy wypalaniu –
• wyroby formowane są z frakcji o zróżnicowanym składzie ziarnowym.
Do grubych ziaren (co najmniej 2-3 mm) dodaje się 30-40 % „frakcji
pyłowej”, która spiekając się w trakcie wypalania łączy większe ziarna.
• grube ziarna fazy ogniotrwałej spajane są masami plastycznymi
zawierającymi węgiel (głównie paki).

Materiały Ceramiczne – Wykład 7 – Materiały Ogniotrwałe

Producenci Materiałów Ogniotrwałych