Стандартвысокоглиноземистый кирпичпри 75% Al₂O₃ хорошо работает в широком спектре применений в промышленных печах. Добавьте 5–15% ZrO₂ к тому же базовому составу, и кирпич станет значительно сложнее расколоться и заметно более устойчивым к воздействию расплавленного шлака, стекла и металла - без фундаментального изменения внешнего вида кирпича или способа его установки.
Причина не просто в том, что диоксид циркония является более твердым или более тугоплавким материалом, чем оксид алюминия, хотя оба варианта верны. Повышение производительности достигается за счет двух конкретных механизмов, которые диоксид циркония вводит в матрицу глинозема: - механизмы, которых стандартный высокоглиноземистый кирпич, независимо от содержания Al₂O₃, не может обеспечить сам по себе.
Что делает цирконий внутри кирпичной матрицы
Ужесточение трансформации
Цирконий существует в трех кристаллических фазах в зависимости от температуры: кубической (выше ~2370 градусов), тетрагональной (1170–2370 градусов) и моноклинной (ниже ~1170 градусов). Переход фазы от тетрагональной к моноклинной сопровождается объемным расширением примерно на 3–5%.
В кирпиче из циркония с высоким содержанием глинозема мелкие частицы ZrO₂ диспергируются через матрицу оксида алюминия и стабилизируются в метастабильной тетрагональной фазе за счет ограничений окружающего материала. Когда трещина возникает и распространяется через кирпич, это ослабляет ограничение на частицы ZrO₂ вблизи вершины трещины. Эти частицы немедленно переходят в моноклинную фазу, локально расширяясь. Это локальное расширение подвергает вершину трещины сжимающему напряжению -, прямо противоположному растягивающему напряжению, которое двигало трещину вперед.
Трещина должна работать усерднее, чтобы распространяться. Увеличивается вязкость разрушения. Кирпич выдерживает термический удар и механическое воздействие, которое может привести к появлению видимых трещин в стандартном высокоглиноземистом кирпиче с аналогичным содержанием глинозема.
Это преобразование упрочнения -, тот же принцип, который используется в диоксиде циркония-упрочненной глиноземной инженерной керамике (ZTA) -, применяемой к промышленному огнеупорному кирпичу. Это не какое-то неопределенное улучшение качества; это измеримое увеличение вязкости разрушения, обычно от 2–3 МПа·м½ для стандартного высокоглиноземистого материала до 4–6 МПа·м½ для композитов на основе оксида алюминия-циркония с соответствующим содержанием ZrO₂ и размером частиц.
Коррозионная стойкость на границе зерен
Стандартные высокоглиноземистые кирпичи содержат стеклофазу на границах зерен - — остаточный силикатный материал, образующийся из примесей во время обжига. Эта стеклянная фаза является основным путем проникновения шлака, стекломассы и расплавленного металла в кирпич, поскольку она размягчается раньше кристаллических фаз и легче растворяется в агрессивных расплавах.
Добавки ZrO₂ снижают эффективное содержание стеклофазы за счет поглощения части примесей кремнезема с образованием циркона (ZrSiO₄) во время обжига -, более стабильного соединения, которое не размягчается и не течет при температурах, при которых стеклофаза должна. Фаза циркона на границах зерен замедляет проникновение коррозионных расплавов внутрь кирпича. В зонах контакта со стеклом и линиях стального шлака, где химическое воздействие на лицевую поверхность кирпича является доминирующим видом разрушения, эта разница в химическом составе границ зерен напрямую приводит к увеличению срока службы.
Где стандартные высокоглиноземистые кирпичи терпят неудачу
Стандартные высокоглиноземистые кирпичи - даже при 80 % Al₂O₃ - имеют два уязвимых места в агрессивных зонах печи:
Распространение трещин при термическом ударе.В зонах с частыми циклическими изменениями температуры, ударами зарядов или крутыми температурными градиентами трещины возникают в поверхностных дефектах и распространяются внутрь. Кирпич не выходит из строя сразу -, на нем образуется сеть микро-трещин, которые снижают структурную целостность в течение последующих кампаний, пока секции не отсоединятся. Увеличение содержания Al₂O₃ повышает огнеупорность, но существенно не улучшает вязкость разрушения.
Растворение в расплавленных средах.Расплавленное стекло, железный шлак, стальной шлак и расплавы цветных металлов химически воздействуют на высокоглиноземистый кирпич. Скорость разрушения зависит от того, насколько легко расплав может проникнуть в микроструктуру кирпича и растворить зернограничные фазы. Кирпич с границей зерен, -богатой-фазой-более уязвим, чем кирпич с границами, стабилизированными цирконом-, независимо от общего процентного содержания Al₂O₃.
Кирпичи с высоким содержанием глинозема и циркония устраняют обе уязвимости одновременно -, поэтому их рекомендуют использовать в зонах, где стандартные марки преждевременно достигают предела своего срока службы.
Приложения, в которых видна разница
Контактные зоны стекловаренной печи
Горло, боковые стенки и дно стекловаренных печей подвергаются постоянному контакту с расплавленным стеклом при температуре 1300–1500 градусов. Это одна из наиболее агрессивных сред для огнеупорного материала - стекломасса активно растворяет зернограничные фазы и проникает через поровые каналы. Высокоглиноземистые циркониевые кирпичи, особенно спеченные марки AZS с содержанием 10–15% ZrO₂, продлевают срок службы в этих зонах по сравнению со стандартными высокоглиноземистыми кирпичами за счет снижения скорости растворения и глубины проникновения стекла.
Для наиболее экстремальных положений контакта со стеклом - блоки резервуаров, брусчатка в зоне плавления -литой АЗС(глинозем-цирконий-кремнезем) с содержанием 33–41 % ZrO₂ является стандартной спецификацией. Спеченные высокоглиноземистые циркониевые кирпичи с более низким содержанием ZrO₂ занимают промежуточное положение, где стоимость плавленого литья не оправдана, а стандартные высокоглиноземистые характеристики недостаточны.
Линии шлака стальных ковшей
Шлаковая линия сталеплавильного ковша — это зона наибольшего износа - граница между стальной ванной и вышележащим шлаком, где наиболее интенсивно как химическое воздействие со стороны шлака, так и механическая эрозия от перемешивания и разливки.Магнезиальный-углеродистый кирпичявляется доминирующим выбором для шлаковых линий в электродуговых печах и ковшах кислородно-конвертерных печей. В ковшах, обрабатывающих чистую сталь, где необходимо избегать загрязнения углеродом, высокоглиноземистый циркониевый кирпич является альтернативой с улучшенной стойкостью к шлаку по сравнению со стандартными высокоглиноземистыми марками.
Переходные зоны цементной печи
Переходная зона между зоной обжига и зоной охлаждения во вращающейся печи для цемента включает как термоциклирование, так и контакт с частично расплавленным клинкером. Кирпичи с высоким содержанием глинозема и циркония применялись в этой зоне, где термический шок от циклического цикла и химическое воздействие фазы жидкого клинкера в совокупности сокращают стандартные кампании по производству кирпича.
Печи для плавки цветных-черных металлов
Печи для выплавки меди, алюминия и цинка перерабатывают шлаки, химические свойства которых отличаются от стальных шлаков, но столь же агрессивно воздействуют на границы огнеупорных зерен. Циркониевые кирпичи с высоким содержанием глинозема используются в футеровке конвертеров и футеровке желобов, где сочетание термического удара и химического воздействия сокращает стандартные кампании по производству высокоглиноземистого сырья.
Спеченная и плавленная отливка: ключевое различие
Кирпичи с высоким содержанием глинозема и циркония производятся двумя принципиально разными процессами, и выбор имеет значение для производительности.
Спеченные высокоглиноземистые циркониевые кирпичиизготавливаются из порошков оксида алюминия и циркония, прессуются и обжигаются при высокой температуре. Содержание ZrO₂ обычно составляет от 5% до 20%. Они дешевле, чем изделия из плавленого литья, могут изготавливаться стандартной и индивидуальной формы, а их микроструктура - с распределенными частицами ZrO₂ в матрице оксида алюминия - обеспечивает хорошие характеристики трансформационного упрочнения. Они являются подходящим выбором для большинства промышленных печей, где стандартный высокоглиноземистый кирпич не подходит.
Кирпич АЗС плавленый литой(глинозем-цирконий-кремнезем) производятся путем плавления сырья и литья в формы. Содержание ZrO₂ 33 %, 36 % или 41 % создает-безстеклянную, сверх-плотную микроструктуру с исключительной коррозионной стойкостью. Они предназначены для самых требовательных мест контакта со стеклом и стоят в несколько раз дороже, чем спеченные изделия. Они не являются тем же продуктом, что и спеченный кирпич из циркония с высоким содержанием глинозема, и их не следует использовать как взаимозаменяемые в спецификациях.
Что проверить перед заказом
Содержание ZrO₂ и размер частиц- Повышение ударной прочности зависит от того, являются ли частицы ZrO₂ достаточно мелкими (обычно менее 5 мкм), чтобы оставаться в метастабильной тетрагональной фазе. Крупные частицы ZrO₂ трансформируются самопроизвольно и не способствуют упрочнению. Запрашивайте данные о микроструктуре или спецификации размера частиц, а не только общее процентное содержание ZrO₂.
Спеченная и плавленая отливка- подтвердите, какой производственный процесс применяется. Они имеют разные микроструктуры, характеристики производительности и стоимость. Спецификация, в которой указано «кирпич АЗС» без уточнения способа производства, неоднозначна.
Кажущаяся пористость- для применений, контактирующих со шлаком и стеклом, обычно требуется кажущаяся пористость ниже 18 %. Более высокая пористость ускоряет проникновение расплава независимо от содержания ZrO₂.
Данные испытаний на устойчивость к термическому удару- запросите результаты испытаний на термический удар с закалкой в воде или на воздухе (количество циклов до отказа), а не соглашайтесь с заявлением о «хорошей стойкости к тепловому удару».
Часто задаваемые вопросы
Является ли высокоглиноземистый циркониевый кирпич таким же, как кирпич AZS?Не всегда. AZS (глинозем-цирконий-кремнезем) обычно относится конкретно к плавленным литым изделиям с содержанием 33–41% ZrO₂, используемым в основном в стекловаренных печах. Высокоглиноземно-циркониевый кирпич — это более широкая категория, включающая спеченные изделия с более низким содержанием ZrO₂ (5–20%), производимые для более широкого спектра промышленного применения. Оба содержат Al₂O₃ и ZrO₂, но различаются процентным содержанием ZrO₂, процессом производства, микроструктурой и применением.
Всегда ли более высокое содержание ZrO₂ означает лучшую производительность?Не повсеместно. Более высокое содержание ZrO₂ повышает коррозионную стойкость при контакте со стеклом и шлаком. Но при определенных концентрациях ZrO₂ в спеченных кирпичах матрица становится более восприимчивой к катастрофическому растрескиванию в результате фазового превращения, если стабилизация недостаточна. Оптимальное содержание ZrO₂ зависит от конкретного применения - химического состава шлака, температуры, частоты термоциклирования -, а не просто «чем больше, тем лучше».
Может ли циркониевый кирпич с высоким содержанием глинозема заменить магнезиальный-углеродистый кирпич в линиях по производству шлака в сталелитейных ковшах?В особых случаях - производство особо чистой стали, где поглощение углерода из кирпича MgO-C является проблемой качества, - в качестве альтернативы использовался кирпич из циркония с высоким содержанием глинозема. По общей стойкости к шлаку он не соответствует MgO-C в условиях кислородной печи. Замена требует оценки конкретного химического состава шлака, температуры и требований к сроку службы перед определением.
