Огнеупорные материалы

(Materiaux réfractaires, feuerfeste Steine). — Так как обыкновенные кирпичи из глины не выдерживают сильного жара, могущего развиваться в печах при горении топлива (например, белого каления — около 1300°), потому что или просто плавятся ("текут", как говорится), или отчасти оплавляются и при остывании трескаются и крошатся, и так как достижение в печах высоких температур, превосходящих обычные (менее 1000°) и достигающих 1400° и даже 1800° (платина плавится при 1778°), становится совершенно необходимым для многих заводских производств (например в металлургии, плавке стали, при стеклоделии, обжиге фарфора и т. п.), то в промышленности весьма немаловажное значение имеет приготовление кирпичей, тиглей и печей или их частей (сводов, пода, порога) из таких О. веществ, которые могут по своей природе долго (и повторительно) сопротивляться действию жара, достигаемого горением топлива в печах, что и рассматривается в этой статье. Но предварительно необходимо заметить, что при помощи сильных динамо-машин, т. е. действием гальванического тока, за последние 10 лет стали достигать не только в лабораториях, но и на заводах, температур еще более высоких, превосходящих 3000°, а таких степеней жара не выдерживают даже такие вещества, как известь и уголь, не говоря уже о глине, кварце и т. п.; уголь при 3500° улетучивается, известь плавится и тоже летит, как и кремнезем, а потому достигать таких степеней жара можно только в середине вольтовой дуги, образующейся в печи с набойкой из материалов, каждый раз возобновляемых, что служит одним из препятствий для практического пользования степенями жара, доставляемыми вольтовой дугой, тем более, что пары вещества набойки (угля, извести, кремнезема) при таких температурах не остаются без химического воздействия на обрабатываемые в вольтовой дуге вещества. Словом, под названием О. веществ подразумеваются (как звучит и в названии) лишь такие, которые не изменяются в огне при степенях жара, достигаемых при горении видов топлива в воздухе, а эти степени жара ограничиваются 1500-1700° и редко (при сильно предварительно накаленном воздухе в регенеративных печах) температурами в 1800°, много 2000°, что мы и будем иметь в виду в дальнейшем изложении. В обыкновенных печах, вследствие избытка воздуха и состава топлива, особенно содержания водорода (так как он дает при горении воду, а ее пары, обладая большой относительной теплоемкостью, сильно уменьшают степень жара), редко получаются температуры, превосходящие 1000°, но с углем, нефтью, пылевидным топливом и горючими газами легко достигаются (особенно без избытка воздуха) температуры в 1600°, даже до 1800°. Везде, где температура держится выше 1000° Ц., совершенно уже непригоден обыкновенный кирпич, который даже в обыкновенных комнатных печах, где (от большого избытка воздуха) редко температура превосходит 800° (поваренная соль не плавится, а ее температура плавления =815° Ц.), оплавляется и крошится, а потому в жаровых частях, по возможности, заменяется огнеупорным. О. глина и кирпичи из неё, поэтому, составляют предмет первой заводской надобности и предмет обширных производств и торговли. Они нужны и применяются даже при кладке комнатных печей (особенно сводов и пролетов в них), в заводских же печах неизбежны. В статьях Глина и Кирпичное производство изложено все важнейшее, что следует сообщить о составе, свойствах и производстве огнепостоянных или О. кирпичей. Надо только прибавить, что сведения как о русских месторождениях (особенно Донецкой области) каолина, так и о природе (составе, действии реагентов и т. п.) глин вообще, в последнее время значительно приумножились: в сочинении П. Земятченского ("Каолиновые образования южной России", СПб., 1896), в котором, между прочим, доказывается (особенно на основании опытов, относящихся к действию слабых растворов щелочей на глины), что в составе глин на пай Al₂O₃ содержится от 1²/₃ (вальдгеймский каолин — большая часть, глуховский — около половины и др.) до 3¹/₂ паев SiO₂, что большая часть каолинов содержит, как чаще всего и принимается, Аl₂О₃2SiO₂2H₂O (после высушивания при 100°-250°) и что от 300° до 400°, а затем ранее 700° выделяется вся конституционная вода, количество которой зависит более от содержания SiO₂, чем от Al₂O₃.

Огнеупорные кирпичи и тигли (горшки) из глины, приготовляемые (ради того, чтобы при обжиге не давали трещин) обыкновенно с большей или меньшей подмесью (до 70%) шамотта или ранее обожженной О. глины (в измельченном виде), также коксового или графитового порошка (см.), а иногда и крупных зерен кварца, имеют широкое распространение для устройства заводских печей потому, что при нагревании разных веществ глинозем Аl₂О₃ и кремнезем SiO₂ глины вступают с ними в соединения, образуя более или менее плавкие или хрупкие массы, отчего кладка или стенки разрушаются. Притом, многие вещества, нагреваемые в прикосновении с глиной или в изготовленных из неё сосудах, сами изменяются или за счет нормальных составных начал глины (Al₂O₃ и SiO₂), или за счет подмесей, обычных в глине. Поэтому под именем О. материалов подразумеваются, сверх О. глины, многие другие вещества, начальные сведения о которых и составляют предмет этой статьи. Необходимо заметить, что выбор того или иного О. материала определяется не только температурой, для которой он назначается и ценностью сооружения, но и химическими свойствами накаливаемого вещества, а также свойством золы или минеральных составных начал применяемого топлива (так как зола улетучивается с дымом и этим путем действует на О. материалы) и сверх того иногда (особенно в металлургических печах) желаемым воздействием стенок печи (пода) на накаливаемый предмет (например пользуются основными О. материалами для удаления из железа фосфора при "томасировании"). В этом отношении особое внимание обращается на различие О. материалов, восстановительных, основных и кислотных, и, например, там, где известковый или магнезиальный (основный) О. материал оказывается весьма пригодным по получающимся результатам, нельзя его заменять песчаником или вообще кислотным (кремнеземистым) О. материалом, хотя бы относительная ценность и способность сопротивляться жару или быстрым переменам температуры и говорила в пользу последнего из них. Мы отличаем далее четыре класса О. материалов: кварцевые, глиноземные, основные и углеродистые.

I. Кварцевые О. материалы. Там, где стенки печей приходят в соприкосновение только с пламенем или металлами и нет соприкосновения их (или очень мало) со щелочами и вообще с основными окислами, особенно для сводов отражательных печей и для кладок регенераторов (см.), вполне соответственный О. материал доставляют природные и искусственные кварцевые (песчаниковые, кремнеземные) камни. Они совершенно не подходят там, где плавятся или накаливаются вещества, богатые щелочами, известью, окислами железа и т. п. основаниями (в химическом смысле), потому что кремнезем, как кислотный окисел, дает с ними шлак (см.) или стекло (см.). Быстрых перемен температуры О. материалы этого рода не выдерживают, трескаются. Природные песчаники (см.), песчаниковые агломераты и сланцы, имеющиеся как у нас на Урале и в др. местностях, так и во Франции, Германии, Англии и пр., очень часто служат О. материалами особенно при устройстве печей (горнов, сводов и т. п.) в чугунно-железном производстве. При кладке соблюдают, чтобы естественные наслоения камней расположились перпендикулярно к поверхности нагрева, иначе часто происходят трещины по слоям и порчи. Надо избегать природных песчаников с бурыми железистыми пятнами, потому что они также непрочны. Полная однородность строения в кварцевых О. материалах достигается только при искусственном их изготовлении, потому что при этом легко устраняются посторонние подмеси. Нередко из однообразных зерен возможно чистого кварца или песчаника, цементированных небольшим количеством О. глины, формуя и обжигая, готовят прекрасные искусственные камни, близкие по свойствам к природным песчаникам [На Урале для кладки доменных печей применяют иногда как О. материал достаточно мягкую тальковую породу, которую обрабатывают пилой в желаемые формы. Они содержат около 65% кремнезема, около 32% магнезии, воду и немного др. окислов и после обжига отлично сопротивляются жару, достигаемому в доменном производстве.]. Но особое и весьма широкое применение в последние десятилетия получили искусственные кварцевые О. материалы, называемые динас (камень Dinas находится в долине Neath в Glamorganshire). Динас готовится из зерен чистой кварцевой породы, скрепленных известью, пропорция которой обыкновенно едва превышает 1%. При довольно крупных зернах чистого кварца (песчаника, гальки) столь малое количество извести, достаточное, однако, для цементации и формовки, дает при обжиге (в белокалильном жаре) слой очень тугоплавкого шлака, соединяющего зерна, но затем неплавкого, по причине избытка кремнезема.

II. Глиноземные О. материалы. Между ними Огнеупорная глина занимает первое место. Она лучше кварцевых О. материалов сопротивляется действию основных веществ, например содержащих известь, и лучше основных О. материалов (III) сопротивляется действию веществ, содержащих избыток кремнезема или иных кислотных окислов. Быстрые перемены температуры выдерживаются О. материалами этого класса лучше, чем динасом. Притом О. кирпичи этого класса наиболее легко изготовляются и наиболее распространены в торговле. Поэтому они и находят широчайшее практическое приложение [Подробности приготовления указаны в соотв. статьях.], особенно там, где температура не превосходит 1000-1300° Ц.; там же, где она выше, или требуется особо тщательный выбор глины, или прибегают. к О. материалам I и II классов. Здесь же следует упомянуть о том, что боксит (см.), как материал богатый глиноземом, применяется, в смеси с глиной, для производства хороших О. кирпичей и только его ценность препятствует расширению этого приложения. Глина (см.), по своей пластичности, служит цементирующим началом и для многих других О. материалов, например для кирпичей и тиглей из угля, графита и кварца.

III. Основные Огнеупорные материалы. Металлические основные окислы, например окалина железа, столь жадно соединяются в плавильном жару с кремнеземом, что не только кварцевые О. материалы, но и глины не дают прочного материала для печей, служащих к их переработке. В этих условиях лучше всего служат О. материалы рассматриваемого класса. Для этой цели иногда, особенно при не очень высоких температурах, применяют самые окислы железа, делая из них облицовку или набойку пода печи; но это дает очень непрочный О. материал. Лучше сопротивляется жару хромистый железняк FeOCr₂O₃, особенно чистый. Его употребляют чаще в Мартеновских печах для плавки стали, и если бы цена этого материала не была высока, он нашел бы более обширное приложение [Хромистый железняк в жару слабо реагирует и с кремнеземом, так что может применяться в разнообразных случаях и его следует, как глину, причислить к "средним" (в химическом смысле) О. материалам.]. Особенно же важное значение с 1878 г. между основными О. материалами получили известково-магнезиальные огнестойкие массы, примененные при получении бессемеровской стали из фосфористых руд по способу Томаса (Thomas и Gilchrist), потому что этим путем оказалось возможным удалять фосфор, столь вредящий качествам стали и столь распространенный в железных рудах. Известь CaO и магнезия MgO не только в совершенно чистом виде, но и во взаимной смеси, совершенно огнестойки, и даже небольшая подмесь (до 10%) кремнезема, глинозема и окислов железа не лишают их огнестойкости, а подмесь 2-3% глинозема и окислов железа даже разыскивается, потому что придает выделенным массам некоторую пластичность и связность — при прокаливании, так как при этом зерна извести скрепляются размягчающимся в жару соединением ее с глиноземом и окисью железа. Чаще всего берут доломиты, содержащие мало (1-2%) кремнезема, глинозема (до 2%) и других подмесей и следовательно состоящие почти исключительно из смеси СаСО₃ с MgCO₃ (около 30% CaO и 20% MgO), предпочитая при этом избыток магнезии (а не извести). Доломит сильно обжигается в печах, подобных вагранкам (см.), до того, чтобы спекшаяся масса потеряла способность быстро поглощать из воздуха воду и углекислоту, т. е. стала "жесткой" (frittée). Для 550 пудов доломита расходуют 250-300 пудов кокса, при напоре дутья около 80 мм. водяного столба, что и дает надлежащую степень жара. В обожженном доломите обыкновенно около 55% извести, около 35% магнезии, около 5% кремнезема, остальные 10% содержат окислы железа, марганца и др. Его измельчают в ступах или под жерновами, смешивают с 2-8% дегтя и в виде полученной полупластической массы применяют или прямо для набойки (уколачиванием) пода печей и конверторов, или для формования в кирпичи, которые осторожно обжигают для того, чтобы из дегтя удалились летучие части и остался уголь, связывающий массу в сплошной кусок. Для приготовления — ради прочности — предпочиталась бы магнезия — без извести, потому что она лучше (после должного прокаливания) сопротивляется действию кремнезема при накаливании, а при обыкновенной температуре влаги не поглощает; но чистая магнезия (MgO) дороже смесей ее с известью, доставляемых доломитами, всюду встречающимися, a потому магнезию только прибавляют к массе, когда желают придать ей большую прочность, причем магнезию готовят обыкновенно из магнезита (Штирия и др. места) обжигом; но иногда (способ Classon) доломитовую (обожженную) массу обрабатывают раствором хлористого магния, причем в раствор переходит известь (MgCl₂+CaOMgO=CaCl₂+2MgO), a по способу Шейблера из смеси CaOMgO извлекают известь раствором патоки (10-15 % сахара), которая не растворяет магнезии [Известково-сахарный раствор, под влиянием углекислого газа осаждает СаСО₃ и дает вновь патоку, так что одно и то же её количество может служить многократно.].

IV. Углеродистые Огнеупорные материалы. Графит, уголь и кокс в жару не плавятся, а потому пригодны как О. вещества везде, где высокая температура не сопровождается избытком воздуха, т. е. в условиях восстановительного пламени, причем не следует упускать из виду, что железо и сталь растворяют (цементируют) углерод во всех этих формах и что окислы железа (окалина) реагируют с углеродом. Графит идет преимущественно для тиглей, назначенных для плавки стали, а в последнее время (Burger, 1890) для доменных печей стали применять кирпичи из кокса. Сухой измельченный кокс смешивают с 20% каменноугольного (отваренного) дегтя, из смеси формуют кирпичи, их сушат до отвердения (недели две) в слабом жаре и затем обжигают в муфельной печи. Хотя цена данного веса таких кирпичей почти в два раза выше, чем из огнепостоянной глины, но так как вес данного объема почти в два раза меньше, то стоимость кладки получается в обоих случаях одинаковая и преимущество иногда принадлежит коксовым кирпичам.

При кладке Огнеупорных кирпичей с особым тщанием ведется притирка, чтобы швы выходили возможно тонкими и получающуюся при этом пыль (мелочь) обыкновенно смешивают с хорошо выбранной огнепостоянной глиной для получения скрепляющей массы. Для той же цели часто к глине прибавляют шамотта или толченые и отсеянные отбросы огнепостоянного кирпича.

Д. Менделеев.