Materiay Ogniotrwae Materiay Ceramiczne Materiay Ogniotrwae Podmiotem wykadu

Materiały Ogniotrwałe

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Podmiotem wykładu jest jedna z ważniejszych grup materiałów ceramicznych aczkolwiek bezpośredni kontakt przeciętnego człowieka z tymi materiałami jest raczej sporadyczny. Bez możliwości ich zastosowania trudno sobie wyobrazić jakikolwiek rozwój cywilizacji technicznej i byłoby tak jak na zdjęciu, nawet nie średniowiecze … tylko bez komina z cegieł, czyli dzisiaj …

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Materiały ogniotrwałe - wyroby ceramiczne przeznaczone do ciągłej pracy w wysokiej temperaturze, odporne na wstrząsy cieplne, korozję chemiczną i erozję w kontakcie z gazami spalinowymi, pyłami, ciekłymi metalami i żużlami. Stosowane jako elementy urządzeń w przemyśle metalurgicznym, szklarskim, cementowym, energetycznym, … Co w tym kontekście oznacza stwierdzenie „wysoka temperatura”? -proces wytopu stali w wielkim piecu – pow. 1600°C; -proces konwertorowy – ok. 1700°C; -piec do produkcji cementu – min. 1450°C; -stop w wannie szklarskiej – ok. 1500°C; -kocioł fluidalny – do 950°C; -piec do wypału porcelany – do 1450°C; Jak „widać” temperatura większości procesów jest poważnym wyzwaniem dla większości znanych substancji. Należałoby w takim razie zastanowić się jakie warunki muszą spełniać materiały ogniotrwałe.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Kryteria stosowania materiałów ogniotrwałych Ogniotrwałość zwykła - temperatura początku topienia substancji, objawiająca się jej deformacją pod własnym ciężarem, gdyby materiał był jednofazowy, czysty i nie byłoby gradientu temperatury oznaczałoby to po prostu termodynamiczną temperaturę topienia. Ponieważ z reguły są to materiały mniej lub bardziej wielofazowe to ogniotrwałości zwykłej nie można wprost utożsamiać z temperaturą topnienia. Tym niemniej im wyższa temperatura topienia tym lepsza ogniotrwałość.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Kryteria stosowania materiałów ogniotrwałych Substancje cechujące się wysokimi temperaturami topnienia posiadają silne kowalencyjne wiązania - węgliki, azotki, borki i niektóre tlenki proste (Me. O) a jak złożone (ABO), to takie w których A ma podobne cechy chemiczne jak B (elektroujemność). Ttop, °C Hf. C 3900 Zr. N 2950 Mg. O 2800 Ta. C 3800 Ti. N 2950 Zr. O 2 2715 Nb. C 3490 Si. C 2820* Ca. O 2570 Zr. C 3400 VC 2810* Y 2 O 3 2425 Hf. N 3385 Ta. N 2700 Cr 2 O 3 2275 Hf. B 2 3380 Nb. N 2573 Al 2 O 3 2050 Zr. B 2 3245 VN 2050* Fe. Cr 2 O 4 2180 Ti. B 2 3225 Ti. O 2 1850 Ti. C 3100 3 Al 2 O 3· 2 Si. O 2 1840 Ta. B 2 3040 Si. O 2 1715

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Kryteria stosowania materiałów ogniotrwałych W tabeli zaprezentowane są substancje kowalencyjne oraz tlenkowe o najwyższych temperaturach topnienia Ttop. Jak z niej wynika, istnieje całkiem spora grupa materiałów, których Ttop znacznie przekracza maksymalną temperaturę większości przemysłowych procesów wysokotemperaturowych. Czy z tego wynika, że z czegokolwiek zrobimy wyrób ogniotrwały to będzie dobrze? Pierwszą częścią odpowiedzi jest porównanie ceny jednej tony np. węglika hafnu z ceną np. dwutlenku cyrkonu. Poza tym większość instalacji wymagających materiałów ogniotrwałych pracuje w atmosferze powietrza i druga część odpowiedzi nasuwa się sama. Co nie oznacza, że materiały kowalencyjne nie mogą być używane jako ogniotrwałe, ale o tym za chwilę.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Kryteria stosowania materiałów ogniotrwałych Jak zmierzyć ogniotrwałość? – ponieważ jest to wyrażenie bardziej techniczne niż ścisłe, metoda też jest techniczna. Stosuje się stożek pirometryczny (stożek Segera) - trójścienny ostrosłup ścięty o normowych wymiarach wykonany z badanego materiału. Ogniotrwałość to temperatura, w której stożek zgina się i uzyska odpowiedni kąt nachylenia, podzielana przez dziesięć z dopisanym symbolem s. P. Co oznacza, że jeżeli ta temperatura jest równa przykładowo 1500°C to ogniotrwałość materiału wynosi 150 s. P.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Kryteria stosowania materiałów ogniotrwałych Stożek Segera może służyć również do pomiaru temperatury, zwłaszcza w miejscach gdzie „nie sięga” ani termopara ani pirometr, np. pomiędzy wyrobami wewnątrz wózka w piecu tunelowym. Kąt pochylenia ustandaryzowanego stożka wskazuje jak była maksymalna temperatura z dokładnością nawet 1°C.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Kryteria stosowania materiałów ogniotrwałych Równie ważnym parametrem jest ogniotrwałość pod obciążeniem – najwyższa temperatura przy której nie występuje jeszcze deformacja materiału ogniotrwałego poddanego jednoosiowemu ściskaniu pod ciśnieniem 0, 2 MPa. Badanie jest standardowe i przeprowadza się je na próbkach walcowych o średnicy i wysokości 50 mm. Oznaczenie polega na rejestracji odkształcenia materiału, obciążonego tak aby ciśnienie wynosiło stale 0, 2 MPa, w trakcie liniowego wzrostu temperatury. Określa się temperatury charakterystyczne: - temperaturę początku odkształcenia, w której próbka zostaje odkształcona o 0, 3 mm (0, 6 % początkowej wysokości) – T 0, 6, - temperaturę, w której próbka zostaje odkształcona o 2 mm (4% początkowej wysokości) – T 4, - i czasami, temperaturę, w której próbka zostaje odkształcona o 5 mm (10% początkowej wysokości).

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Kryteria stosowania materiałów ogniotrwałych Porowatość i przepuszczalność – od porowatości, zarówno otwartej jak i całkowitej, a także od rozkładu wielkości obu populacji porów zależy głębokość wnikania faz ciekłych i gazów będących w kontakcie z materiałem ogniotrwałym. Wzrost porowatości zmniejsza wytrzymałość (źle), podnosi nieco odporność na kruche pękanie (dobrze) i obniża przewodność cieplną (dobrze). Wytrzymałość – określa możliwość przenoszenia obciążeń. Materiały ogniotrwałe nie są materiałami konstrukcyjnymi tym niemniej muszą przenosić pewne obciążenia. Wartość wytrzymałości decyduje również o wymiarach elementów ogniotrwałych. Przewodność cieplna – decyduje o izolacji cieplnej przestrzeni roboczej, a więc o stratach cieplnych urządzenia. Materiały ogniotrwałe, poza pewnymi wyjątkami, nie są dobrymi izolatorami ciepła. Wartość przewodności również decyduje o wymiarach wyrobów.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Kryteria stosowania materiałów ogniotrwałych Łuszczenie – kruszenie, pękanie w mikroobszarach spowodowane: (i) wstrząsami cieplnymi w cyklicznie pracujących instalacjach, (ii) naprężeniami związanymi z rozszerzalnością, (iii) niejednorodnością współczynników rozszerzalności cieplnej oraz (iv) zmianą właściwości na skutek wnikania fazy ciekłej do wnętrza wyrobu (żużle, metale). Zmiana wymiarów liniowych w cyklach ogrzewanie-chłodzenie wywołana przez: (i) przemiany polimorficzne, (ii) reakcje chemiczne, (iii) utworzenie fazy ciekłej oraz (iv) postęp procesu spiekania. .

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Rodzaje materiałów ogniotrwałych W zasadzie to koniec kryteriów i czujemy, że czegoś brakuje, czegoś ważnego. Zaczynamy myśleć… No tak, nic nie było o reaktywności chemicznej. I nic dziwnego, reaktywność nie jest kryterium, bo nie może być – złożoność warunków procesu wysokotemperaturowego czy zmienność składu chemicznego w różnych elementach instalacji powoduje konieczność zastosowania różnych materiałów ogniotrwałych. Z tego punktu widzenia, podstawowym kryterium podziału materiałów ogniotrwałych jest reaktywność w skali kwasowo-zasadowej. Generalnie, materiały ogniotrwałe dzieli się na materiały kwaśne (np. Si. O 2), obojętne (Al 2 O 3) i zasadowe (Mg. O). Innym sposobem podziału materiałów ogniotrwałych jest sposób ich użytkowania – czy to w postaci gotowego wyrobu czy też w postaci półproduktu do uformowania bezpośrednio w instalacji, czyli …

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Rodzaje materiałów ogniotrwałych Wyroby formowane – lite, polikrystaliczne wyroby o zróżnicowanych rozmiarach i kształtach – cegły, kształtki, prostki, płyty, …. Kształt i wymiary zależne są od miejsca stosowania danego wyrobu, bardzo często są wykonywane na konkretne zamówienie. Wyroby formowane to również tygle, rury, złączki, …;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Rodzaje materiałów ogniotrwałych Wyroby nieformowane – mieszaniny proszków o składzie umożliwiającym, zazwyczaj po zrobieniu z wodą, uzyskanie plastycznych past lub mas lejnych, którymi wypełnia się formy bezpośrednio w instalacji. Ich konsolidacja polega na wiązaniu hydraulicznym w momencie formowania oraz spiekanie w trakcie uruchamiania instalacji. Wyroby te to: • masy do ubijania w postaci suchych mieszanin proszków o odpowiednio dobranych wielkościach ziaren, przed użyciem mieszane są z wodą i ubijane w miejscach użycia; • zaprawy, drobno mielone materiały nabierające plastyczności po zmieszaniu z wodą, używane do wypełniania ubytków, do uszczelniania powierzchni ścian oraz do łączenia kształtek; • zaprawy do natryskiwania (torkretowania), z większą ilością wody i spoiw hydraulicznych; • betony ogniotrwałe, masy lejne zawierające spoiwa hydrauliczne, zazwyczaj cementy glinowe, i kruszywo ogniotrwałe;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Rodzaje materiałów ogniotrwałych Przed nami krótki przegląd grup materiałów ogniotrwałych. Właściwości poszczególnych tworzyw prezentowane na kolejnych slajdach są danymi podawanymi przez producentów tych wyrobów. Zaczynamy od materiałów najbardziej kwaśnych czyli od wyrobów krzemionkowych…

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby krzemionkowe • Wyroby krzemionkowe w zdecydowanej większości składają się z różnych faz dwutlenku krzemu, dla przypomnienia temperatura topnienia czystego Si. O 2 to ponad 1700°C; • Jak już wiemy, w trakcie zarówno wzrostu jak i spadku temperatury dwutlenek krzemu przechodzi szereg przemian polimorficznych, z których co najmniej dwie związane są z dużą zmianą objętości właściwej. Zmiana objętości gotowych wyrobów, zwłaszcza w czasie chłodzenia, może doprowadzić do ich pękania; • Na szczęście fazy wysokotemperaturowe, trydymit i krystobalit, zostają zachowane do temperatury pokojowej ze względu na tworzenie roztworów stałych z innymi kationami stabilizującymi te struktury; • W konsekwencji wyroby krzemionkowe składają się z trydymitu ~ 50 %, krystobalitu ~ 20÷ 40 %, fazy amorficznej do 20 %, kwarcu resztkowego do 6 % oraz produktów reakcji krzemionki z zanieczyszczeniami i mineralizatorami, głównie jest to wollastonit;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby krzemionkowe • Podstawowym surowcem do produkcji materiałów krzemionkowych są kwarcyty, stosowane są również: kwarc żyłowy, piasek kwarcowy, złom kwarcowy oraz chalcedonit; • Zawartość Si. O 2 w kwarcytach to 95÷ 97 % a główne zanieczyszczenia to (formalnie): Al 2 O 3 (0, 5÷ 2, 5 %), Fe 2 O 3 (0, 5÷ 2 %) oraz Ca. O (0, 2÷ 1, 0 %); • Jak jest za dużo tlenku glinu nie jest dobrze, pojawia się faza ciekła i spada s. P wyrobów. Krzywa likwidusu jest strona a temperatura punktu eutektycznego wynosi poniżej 1600°C; Al 2 O 3

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby krzemionkowe • Jak jest nieco tlenku żelaza i tlenku wapnia nie jest tak źle. Krzywe likwidusów są na poziomie nieco poniżej 1700°C w szerokim zakresie składów. Punkty eutektyczne pojawiają się dla niewielkich ilości obu tlenków a nieco fazy ciekłej zawsze się przyda przy spiekaniu. Jak tych tlenków jest za mało to dodaje się je jako mineralizatory.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby krzemionkowe Właściwości … … są typowe dla materiałów ogniotrwałych - porowatość otwarta na poziomie dwudziestu kilku procent, wytrzymałość na poziomie materiałów budowlanych, ogniotrwałość pod obciążeniem ok. 50 -100°C niższa niż temperatura topnienia.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby krzemionkowe Najczęstsze aplikacje to: sklepienia pieca stalowniczego i pieców szklarskich, wyłożenia kadzi stalowniczych, nagrzewnic wielkich pieców i pieca koksowniczego. Jak łatwo zauważyć wyroby te mają kontakt z substancjami o charakterze kwaśnym (dwutlenek węgla, tlenki siarki) lub obojętnym (żelazo); W następnej grupie materiałów do krzemionki dołączamy inny wysokotopliwy tlenek, Al 2 O 3, i otrzymujemy cały szereg …

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby glinokrzemianowe obejmujące kilka typów materiałów odpowiadających różnym proporcjom dwu głównych składników - Si. O 2 i Al 2 O 3: - do kilku % Al 2 O 3 to jak wiemy wyroby krzemionkowe; - do ok. 45 % Al 2 O 3 to wyroby szamotowe; - powyżej 45 % Al 2 O 3 to wyroby wysokoglinowe, które można podzielić dodatkowo na: - wyroby mullitowe, silimanitowe i andaluzytowe - zakres składów odpowiadający roztworowi stałemu mullitu; - wyroby boksytowe – składy odpowiadające polu współistnienia korundu i mullitu; - wyroby korundowe – praktycznie czysty tlenek glinu z niewielką zawartością zanieczyszczeń;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby glinokrzemianowe materiały szamotowe materiały krzemionkowe materiały wysokoglinowe materiały mullitowe andaluzytowe silimanitowe materiały boksytowe materiały korundowe

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby szamotowe wytwarzane są z glin ogniotrwałych o dużej zawartości tlenku glinu, co w praktyce oznacza wysoką zawartość kaolinitu. Głównym składnikiem takich materiałów po wypaleniu jest mulit a dodatkowo, oprócz fazy szklistej, związki Al 2 O 3 i Si. O 2 z tlenkami akcesorycznymi: K 2 O (KAS 6), Na 2 O (NAS 6), Ca. O (CAS 2), Mg. O (M 2 A 2 S 5), Fe 2 O 3/Fe. O (F 2 A 2 S 5) oraz Ti. O 2 (AT). O ogniotrwałości, oprócz stosunku Si. O 2: Al 2 O 3 (Al 2 O 3 = s. P ) decyduje zawartość tlenków akcesorycznych (AO = s. P ). Tlenki alkaliczne obniżają temperaturę powstawania fazy ciekłej i utrudniają powstanie mullitu, Ca. O i Mg. O nie wpływają widocznie na powstanie fazy ciekłej, tlenek żelaza(II) tworzy niskotopliwą eutektykę (atmosfera redukująca). Celem poprawy procesu formowania wypaloną i mieloną glinę (szamot) miesza się z gliną surową, formuje wyrób i ponownie wypala.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby szamotowe Właściwości wyrobów szamotowych wg PN-76/H-12030 Wymagania E Zawartość [%] 39 Al 2 O 3 + Ti. O 2 min. , Zawartość 2, 5 Fe 2 O 3, max, % Ogniotrwałość 175 zwykła, min. , s. P Ogniotrwałość pod obciążeniem, 1400 min. , ºC Wytrzymałość na 12 ściskanie, MPa Porowatość 28 otwarta, max, % formowane z mas plastycznych, gatunki: E, A, B, C, formowane z mas półsuchych i półplastycznych, gatunki: Es, As, Bs, Cs, formowane z mas wieloszamotowych, gatunki: Ew, Aw, Bw. Es Ew A Gatunek As Aw 39 39 36 36 36 32 32 32 - - 2, 5 3 3 3 3, 3 175 173 173 169 165 1420 1450 1370 1400 1320 1350 18 30 12 30 30 12 18 25 22 28 25 B Bs Bw C Cs 1250 1270

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby szamotowe Jak widać wyroby szamotowe cechują się wysoką s. P lecz stosunkowo niską ogniotrwałością pod obciążeniem, co związane jest z pojawianiem się eutektycznej fazy ciekłej powodującej poślizg ziaren. Tym niemniej, ze względu na niską cenę i nienajgorsze właściwości wyroby szamotowe są masowo wytwarzane i stosowane. Zastosowanie: • wyłożenia wielkich pieców i nagrzewnic wielkopiecowych; • wyłożenia pieców do wypalania klinkieru cementowego w strefach podgrzewania i dekarbonizacji; • wyłożenia szklarskich pieców wannowych i donicowych;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby kordierytowe Wyroby szamotowe często są „uszlachetniane” dodatkami innych materiałów ogniotrwałych, najczęściej jest to kordieryt, glinokrzemian magnezu, Mg 2 Al 3[Al. Si 5 O 18], rzadki minerał wykazujący pleochroizm („kompas wikingów”). Dzięki niskiej przewodności cieplnej, 2, 5 W/m·K, oraz rozszerzalności cieplnej, 3, 5· 10 -6, wyroby kordierytowe cechują się bardzo wysoką odpornością na wstrząs cieplny.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby mullitowe (andaluzytowe, silimanitowe) wytwarzane z surowców glinokrzemianowych: andaluzytu, silimanitu lub kyanitu. Składają się z mullitu (min. 75%) kwarcu i/lub krystobalitu (do 10%) oraz fazy amorficznej (ok. 10%) Zastosowanie: wielkie piece oraz ich nagrzewnice, kadzie zalewowe i do transportu surówki, mieszalniki surówki, kadzie lejnicze i pośrednie, piece do wypału wapna, instalacje do produkcji klinkieru cementowego …

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby mullitowe (andaluzytowe, silimanitowe) Mikrostruktura tych tworzyw wskazuje na obecność fazy ciekłej w trakcie wypalania wyrobów, ziarna mullitu mają wydłużone kształty a ich ułożenie przestrzenne podnosi wytrzymałość tworzywa do ok. 150 MPa;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby mullitowe (andaluzytowe, silimanitowe)

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby boksytowe wytwarzane z surowców naturalnych o dużej zawartości Al 2 O 3 zazwyczaj z boksytu, technicznego tlenek glinu lub elektrokorundu czasami z dodatkiem palonki mullitowej (taki lepszy szamot). Zastosowanie: wyłożenia pieców cementowych, wymurówki wanien szklarskich, górne części pieców szklarskich, piece tunelowe, wyłożenia pieców hutniczych, kopuł nagrzewnic, kadzi surówkowych, sklepień pieców elektrycznych, …

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby boksytowe

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby korundowe wytwarzane są z surowców syntetycznych (elektrokorund) o niskich zawartościach innych tlenków zwłaszcza alkalicznych. Zastosowanie podobne do wyrobów wysokoglinowych, również w postaci materiałów włóknistych.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby magnezjowe to główny przedstawiciel zasadowych materiałów ogniotrwałych, wyroby wytwarzane z magnezytów, klinkierów magnezytowych lub peryklazowych, składają się głównie z tlenku magnezu z niewielkimi ilościami innych faz powstałych z zanieczyszczeń w trakcie wypalania - spinelu glinowo magnezowego i krzemianów wapnia i magnezu (monticellit, merwinit).

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby magnezjowo-wapienne wytwarzane z dolomitów lub mieszanin klinkierów peryklazowego i wapniowego, składają się mieszaniny tlenków magnezu i wapnia. Ze względu na stosunkowo wysokie powinowactwo tlenku wapnia do wody i dwutlenku węgla materiały te są bardziej podatne na korozje i rzadziej stosowane. Ich zaletą jest dostępność surowca, dolomitu, w przeciwieństwie do dobrej jakości magnezytów.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby zasadowe

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby zasadowe są powszechnie stosowane w instalacjach metalurgicznych (tak stal i żelazo jak i metale kolorowe, produkcja i odlewanie), w piecach cementowych, piecach szybowych do wypału wapieni, piecach koksowniczych czy piecach szklarskich. Na kolejnych slajdach przykłady takich aplikacji.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby zasadowe

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby zasadowe

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe materiały specjalne Przedstawione do tej pory grupy materiałów ogniotrwałych odpowiadają podstawowym, masowo produkowanym i powszechnie stosowanym wyrobom. Oprócz nich wyróżnia się kilka innych grup materiałów określanych mianem specjalnych wytwarzanych w zdecydowanie mniejszej skali, stosowanych jako elementy instalacji pracujących w ekstremalnych warunkach, i których ceny są zdecydowanie wyższe niż wyrobów tradycyjnych. Są to …

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby z dwutlenku cyrkonu otrzymywane z naturalnego badelleitu lub surowców syntetycznych. Stosowane są głównie tworzywa typu PSZ (o tym wkrótce), częściowo stabilizowane dodatkiem tlenku magnezu lub rzadziej tlenku wapnia. Wyroby z PSZ znajdują zastosowanie jako wylewy w kadziach pośrednich do ciągłego odlewania stali, tygle do topienia metali, rolki do płytek …

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby z dwutlenku cyrkonu przykładowe zastosowanie takich wyrobów to chociażby dozator w kadzi pośredniej instalacji ciągłego odlewania stali. Osoby zainteresowane warunkami pracy dozatora mogą zobaczyć to na załączonym filmie. Dozator to ten żółty.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby z węglika krzemu (karborundowe) otrzymywane drogą spiekania reakcyjnego syntetycznych proszków węglika krzemu, Si. C. 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 – Materiały Ogniotrwałe 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 …

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby azotkowe i tlenoazotkowe głównie z azotku krzemu i sialonów (o nich więcej kiedy indziej) epizodycznie z tlenazotku glinu. Przy bardzo dobrych właściwościach mechanicznych w podwyższonych temperaturach cechują się niską zwilżalnością przez metale i bardzo dobrą odpornością na wstrząs cieplny. Zastosowanie: elementy instalacji odlewniczych metali kolorowych, głównie na bazie aluminium, i stopów specjalnych.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Wyroby nieformowane zwłaszcza betony stają się coraz bardziej popularne i częściowo zastępują materiały formowane. Fazą wiążącą może być zaprawa wapienna lub cement (stosunkowo rzadko) lub gliniany wapnia, które również mają właściwości wiążące. Kryterium stosowania wynika z faz jakie powstają po doprowadzeniu instalacji o temperatury pracy, która jest z reguły znacznie wyższa niż temperatura rozkładu faz powstających w trakcie wiązania. I tu najlepsze są gliniany wapnia. Jak za chwilę zobaczymy układ Ca. O – Al 2 O 3 jest bogaty co z jednej strony daje możliwość sterowania właściwościami wiążącymi lecz z drugiej strony może sprawiać problem w otrzymywaniu czystych glinianów wapnia i może nieco ograniczać temperaturowy zakres stosowania.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Cementy ogniotrwałe

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Cementy ogniotrwałe Podstawowym składnikiem cementów ogniotrwałych jest Ca. Al 2 O 4 (CA), obecność innych faz zależna jest od stosunku Ca. O do Al 2 O 3. Cementy z niższą zawartością tlenku glinu zawierają gelenit (C 2 AS) a cementy z wyższymi zawartościami tlenku glinu zawierają także CA 2, CA 6, C 12 A 7 i korund. Jedynie CA 6 nie ulega hydratacji. Szybkość hydratacji maleje ze wzrostem zawartości Al 2 O 3 w glinianie a przebieg reakcji hydratacji fazy CA zależny jest od temperatury: 6 CAH 10 < 15°C 6 CA + 60 H 3 C 2 AH 8 + 3 AH 3 + 27 H > 70°C 2 C 3 AH 6 + 4 AH 3 + 36 H

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Cementy o wysokiej zawartości Al 2 O 3 wytwarza się metodą wysokotemperaturowej syntezy w ciele stałym, te o niższej zawartości tlenku glinu przez topienie mieszaniny wapienia i boksytu. Do produkcji cementów glinowych średnich klas wykorzystywane są boksyty zarówno o wysokiej (do 25 %) jak i niskiej (do 10 %) zawartości tlenku żelaza. Tlenek żelaza wywiera korzystny wpływ na właściwości wiążące (pojawia się brownmilleryt C 4 AF) lecz pogarsza ogniotrwałość i wytrzymałość cementu.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Betony ogniotrwałe to mieszaniny cementów glinowych z kruszywem jakim może być elektrokorund, spinelglinowy, perlit, wermikulit, andaluzyt, szamot, . . . , przykładowo: • Zwarte betony ogniotrwałe zawierające powyżej 16 % cementu glinowego (~4, 5 % Ca. O). • Betony o średniej zawartości cementu zawierające 8 -15 % cementu glinowego (2, 5 -4, 5% Ca. O). • Betony niskocementowe zawierają 5 -9 % cementu glinowego (1, 2 -2, 5 % Ca. O). Wysoka temperatura pracy, niewielka ilość wody zarobowej oraz zwiększona odporność na czynniki agresywne. • Betony ultra-niskocementowe zawierają 1 -5 % cementu glinowego (0, 3 -1, 2 % Ca. O). Wysoka temperatura pracy, niewielka ilość wody zarobowej oraz wysoka odporność na czynniki agresywne.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Betony ogniotrwałe Ostatni trend w betonach to materiały o minimalnej zawartości cementu. I jest w tym jakaś logika – tak naprawdę materiałem ogniotrwałym jest kruszywo a cementu używa się jedynie celem zespolenia jego ziaren, co jest tańsze niż spiekanie materiału kruszywa, a fazy powstające po wypaleniu cementu nie są tak ogniotrwałe jak kruszywo, ergo im mniej cementu tym lepiej. Aktualnie w KCi. MO prowadzone są prace nad nowymi materiałami mogącymi pełnić rolę spoiwa hydraulicznego, które nie będą prowadzić do obniżenia ogniotrwałości. Najlepsze wyniki dają m. in. amorficzna nano -krzemionka, nano- i mikroproszki niskotemperaturowych odmian tlenku glinu a także glinian-cyrkonian wapnia Ca 7 Zr. Al 6 O 18.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Technologia materiałów ogniotrwałych Parę zdań na temat technologii, zdecydowanie więcej będzie na przedmiocie Technologia Materiałów Ceramicznych. Generalnie, wyroby formowane to polikryształy, w których ziarna łączą się ze sobą w procesie spiekania. Ponieważ są to materiały o silnych wiązaniach, bo są ogniotrwałe, albo na odwrót, to spiekanie jest takie proste. Co więcej, granice międzyziarnowe mają podwyższona energię i ich reaktywność chemiczna jest większa niż wnętrza ziaren więc wyrób powinien cechować się dużymi ziarnami, ale duże ziarna źle, bądź wręcz wcale, się spiekają. Z drugiej strony nie potrzebujemy zbyt wielkiej gęstości a w kategoriach zmian gęstości w trakcie spiekania jaki minimalnej wytrzymałości wyrobu wystarczającym jest jedynie „przypiec” do siebie duże ziarna. Co w tym kontekście możemy zrobić?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Technologia materiałów ogniotrwałych 1. Obrobić surowiec – wyroby powstają poprzez obróbkę mechaniczną zwartych surowców naturalnych, skał. W praktyce ogranicza się to do obróbki łupków kwarcytowych i to raczej już rzadko;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Technologia materiałów ogniotrwałych 2. Spiec, wypalić, skonsolidować temperaturowo – wyroby formowane są z mieszanin proszków o zróżnicowanym uziarnieniu, mas plastycznych lub mas lejnych i poddane obróbce cieplnej. Modelowo, miesza się drobne, mielone proszki z proszkami gruboziarnistymi (kruszywem) a w trakcie spiekania albo dochodzi do reakcji prekursorów w fazie drobnoziarnistej albo ich spiekanie a produkty tych procesów spajają większe ziarna;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Technologia materiałów ogniotrwałych 3. Związać hydraulicznie – wyroby formowane są z mas lejnych lub plastycznych zawierających kruszywo i substancje spajające. Mogą to być cementy (portlandzki lub glinowy) lub substancje z dużą zawartością węgla (polimery, pak, ług posulfitowy). Obróbka cieplna i konsolidacja następuje w trakcie eksploatacji;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Technologia materiałów ogniotrwałych 4. Przetopić – wyroby są formowane przez odlewanie stopionych surowców. Topi się np. spinel magnezowo-glinowy, Mg. O czy eutektykę Zr. O 2 -Al 2 O 3. W większości przypadków uzyskany materiał pełni rolę kruszywa.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Zasady doboru materiałów ogniotrwałych Temat na osobną serię wykładów, tak więc w tym miejscu jedynie czubek góry lodowej. Łatwo się domyślić, że głównymi kryteriami są ogniotrwałość i odporność chemiczna. Z ogniotrwałością nie ma problemu – nie bierzemy materiału, którego ogniotrwałość (z reguły pod obciążeniem) nie jest wyraźne wyższa niż maksymalna temperatura procesu biegnącego w instalacji. Gorzej jest z reaktywnością chemiczną. Analizę z reguły zaczyna się od termodynamiki, czyli patrzymy na diagram fazowy. Prosty przykład na kolejnych slajdach. Załóżmy, że rozpatrujemy zastosowanie trzech materiałów (krzemionkowe, korundowe oraz magnezjowe) na wyłożenie wielkiego pieca w strefie, gdzie główną fazą jest tlenek żelaza(II), Fe. O, a temperatura to ok. 1500°C. Jak zachowają się materiały ogniotrwałe w kontakcie z Fe. O?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Zasady doboru materiałów ogniotrwałych Pierwszy materiał to Si. O 2. Diagram Si. O 2 -Fe. O już znamy ale w tym przypadku tlenku żelaza jest dużo więcej a więc ilość fazy ciekłej narasta odsłaniając kolejne warstwy wymurówki i propagując reakcję. Należy liczyć się również z tym, że reakcja będzie miała przede wszystkim miejsce na granicach ziaren a więc luźne ziarna krzemionki również będą odpadały od materiału ogniotrwałego. Nie można również liczyć na to, że ciekły produkt reakcji wypełni pory i zastygnie w nich w chłodniejszej strefie. Ciecz krzepnie dopiero w 1185°C. Generalnie Si. O 2 nie nadaje się do tego zastosowania.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Zasady doboru materiałów ogniotrwałych Materiały korundowe sprawiają lepsze wrażenie. Na poziomie 1500 C produktem reakcji jest spinel glinowo-żelazowy a faza ciekła może pojawić się dopiero gdy zawartość tlenku żelaza osiągnie prawie 60 % wag. Czyli dopiero wtedy gdy prawie cały tlenek glinu przereaguje do fazy spinelowej. Penetracja tlenku żelaza w głąb wymurówki ma charakter dyfuzji w ciele stałym a więc procesu o wiele rzędów wolniejszego niż płynięcie lepkościowe fazy ciekłej. Generalnie wymurówka korundowa może być stosowana.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Zasady doboru materiałów ogniotrwałych Równie dobrze wyglądają materiały magnezjowe. Fe. O tworzy roztwory stałe w pełnym zakresie składów a w 1500°C faza ciekła pojawia się gdy stężenie tlenku żelaza wynosi ponad 40 % wag. Roztwór stały tworzy się na skutek dyfuzji jonów żelaza w sieci tlenku magnezu a ta wyjątkowo nie nadaje się na transport kationów (Na. Cl). Czyli magnezyty rules.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Polscy producenci materiałów ogniotrwałych Czas na przedstawienie polskiego rynku producentów materiałów ogniotrwałych. Oczywiście tylko tych większych, oprócz nich jest dosyć sporo małych firm produkujących zazwyczaj wyroby szamotowe (najprostsze w technologii, najtańsze i szeroko stosowane) i betony ogniotrwałe (z tym już nieco gorzej, ale jak ktoś kończył WIMi. C AGH to …)

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Polscy producenci materiałów ogniotrwałych Po znajomości (większa część zarządu i kadry kierowniczej to absolwenci WIMi. C ), ale nie tylko, pierwsze miejsce przypada Zakładom Magnezytowym „Ropczyce” S. A. łatwo zgadnąć, że w Ropczycach. Największy w Polsce producent wyrobów zasadowych.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Polscy producenci materiałów ogniotrwałych Polska Ceramika Ogniotrwała "Żarów" Sp. z o. o. oczywiście w Żarowie (Dolny Śląsk) to głównie producent materiałów glinokrzemianowych (szamotowych, wysokoglinowych, andaluzytowych, boksytowych i korundowych) a także kordierytowych i jako jeden z nielicznych wyrobów z węglika krzemu.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Polscy producenci materiałów ogniotrwałych GÓRBET REFRACTORIES, do roku 2013 Zakład Materiałów Ogniotrwałych Górbet Sp. z o. o. , w Trzebini. Producent betonów ogniotrwałych głównie na bazie cementów glinowych z kruszyw: korundowym, andaluzytowomulitowym oraz węglika krzemu. Przynajmniej wspomnieli w katalogu, że współpracują z AGH.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Polscy producenci materiałów ogniotrwałych Ostrowieckie Zakłady Materiałów Ogniotrwałych Sp. z o. , kiedyś TABEX-OZMO, z Ostrowca Świętokrzyskiego, największy, obok PCO, polski producent materiałów szamotowych a także andaluzytowych i wysokoglinowych.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Polscy producenci materiałów ogniotrwałych GÓRKA CEMENT także z Trzebini, nie do końca polski bo właścicielem jest Mapei, ale to jedyny producent cementów glinowych.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Polscy producenci materiałów ogniotrwałych Należałoby też wspomnieć o Instytucie Materiałów Ogniotrwałych w Gliwicach, który aktualnie jest częścią Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych. Instytut prowadzi działalność badawczą w zakresie surowców i technologii materiałów ogniotrwałych a także, w ograniczonym zakresie ilościowym, produkcję betonów ogniotrwałych, materiałów korundowych, cyrkonowych i na bazie węglika krzemu.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Polscy producenci materiałów ogniotrwałych I na koniec duże firmy, nawet niedaleko Krakowa, ale takie nie do końca polskie – Arcellor Mittal Refractories oraz Vesuvius. Oba przedsiębiorstwa produkują szereg różnego rodzaju materiałów tak formowanych jak i betonów głównie dla hutnictwa i odlewni.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Literatura Osobom chcącym poszerzyć wiedzę w tym zakresie polecam: F. Nadachowski, Zarys Technologii Materiałów Ogniotrwałych, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice, 1995;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe A teraz czas na … Kolokwium Zasady w zasadzie te same co poprzednio: 1. Za każde pytanie można uzyskać od 0 do 3 pkt. Możliwe jest uzyskanie większej ilości punktów za dodatkowe odpowiedzi wskazane w niektórych pytaniach. Mile widziana inwencja w odpowiedziach; 2. Odpowiedzi na pytania wysyłamy mailem na adres: bucko@agh. edu. pl; 3. Czas trwania kolokwium biegnie do chwili umieszczenia na stronie www. kcimo. pl kolejnej prezentacji z następnym wykładem i odpowiedziami na pytania z tegoż kolokwium; 4. Autorzy odpowiedzi, które zostaną ocenione na co najmniej 28 pkt. mogą spodziewać się różnych benefitów;

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe I. Które z przemian polimorficznych dwutlenku krzemu związane są z dużymi zmianami objętości właściwej? Jaka jest przyczyna tak dużych zmian objętości?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe II. 1. Co przedstawia zdjęcie? 2. Z jakiego materiału wykonane są te przedmioty? 3. Z kim powinny być kojarzone?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe III. Wymień trzy przedmioty wykonane z szamotu, które można znaleźć we własnym domu (mieszkaniu)?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe IV. Do czego służy widoczny wyrób z kordierytu?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe V. Materiał korundowy ma ogniotrwałość pod obciążeniem na poziomie 175 s. P. Czy zanieczyszczenie dwutlenkiem tytanu na poziomie 3 % wag. obniży tę wartość. Tak/Nie i dwa zdania uzasadnienia.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe VI. Z czego wykonany jest tygiel? Jaki metal widoczny jest na dnie tygla? Czyje palce widać na zdjęciu?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe VII. Jak z talku zrobić materiał ogniotrwały? Dwa zdania i reakcja.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe VIII. Jak hydratyzuje Ca 7 Zr. Al 6 O 18?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe IX. Jakie jest pochodzenie nazwy Górkal 70?

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe X. Podaj nazwę zakładu produkującego materiały ogniotrwałe położonego najbliżej Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe XI. Pytanie bonusowe wynikający z analizy jednej z odpowiedzi z poprzedniego kolokwium. Jaka muzyka nie sprawia przykrości wykładowcy? 1. Kompozytor 2. Zespół 3. Tytuł utworu.

Materiały Ceramiczne – Materiały Ogniotrwałe Dziękujemy Państwu za uwagę Copyrights: MMB, marsala