Tudásbázis

• Mit nevezünk tűzálló anyagnak?

• Tűzálló anyagok csoportosítása
• Tűzálló, hőszigetelő anyagok
• A tűzállóanyagok fázisdiagramjai
• A tűzálló anyagok tulajdonságai

Mit nevezünk tűzálló anyagnak?

Tűzálló anyagnak nevezünk minden olyan anyagot, amelynek olvadáspontja 1500oC felett van.

Más megközelítésből vizsgálva minden olyan anyagot tűzálló anyagnak nevezünk, amelynek az alkalmazási hőmérséklete 900 oC felett van. Az ez alatti hőmérsékleten használatos anyagokat hőálló anyagnak nevezzük.

Kevésbé szabatos megfogalmazás szerint tűzállónak nevezzük azokat az anyagokat, amelyek az ipari kemencében magas hőmérsékleten lényeges változás nélkül tartósan ellenállnak a különböző igénybevételeknek. Ez azt érzékelteti, hogy a tűzállóanyagnak nemcsak a nagy hőmérsékletet, hanem szerkezetekbe építve az önsúlyból adódó és egyéb terheléseket, koptató és vegyi hatásokat, stb. is el kell viselnie.

Tűzálló anyagok csoportosítása

A tűzálló anyagokat többféle szempont szerint lehet csoportosítani:

- Kémiai összetétel szerint

• Szilika gyártmányok (Szilika téglák és habarcsok)
• Alumínium-szilikát illetve gyártmányok (samott téglák, magas alumíniumoxid tartalmú téglák, betonok és habarcsok)
• Bázikus gyártmányok (bázikus téglák és bázikus masszák)
• Karbon gyártmányok
• Szilícium -karbid (SiC) gyártmányok
• Cirkónium-oxid gyártmányok
• Különleges gyártmányok (oxidos és nemoxidos, BN3)

- Tűzállóság szerint

• Tűzálló (SK18-35)
• Nagy tűzállóságú (SK36-42)
• Igen nagy tűzállóságú (SK42 felett)

- Porozitás szerint

• Nagy tömörségű (0-16%)
• Tömör (16-30%)
• Könnyű (30-75%)

- Gyártástechnológia szerint

• Formázott tűzállóanyagok (tűzálló téglák és idomok)
• Nem formázott tűzállóanyagok (tűzálló betonok, tűzálló habarcsok, tűzálló ragasztók, stb.)

Tűzálló, hőszigetelő anyagok

Tűzálló hőszigetelő anyagok a hagyományos tömör tűzállóanyagokhoz képest lényegesen kisebb testsűrűségűek (kb.0,4 -1,6 g/cm3) és nagyobb porozitásúak (kb. 45-80 tf %), ennek megfelelően sokkal kisebb a hővezetési tényezőjük.

Előállítási technológiájuk szerint csoportosíthatók:

• kiégőadalékos
• Habosításos
• gázfejlesztéses
• illóanyagos

eljárásokra.

Ezek gyakran kombinálva fordulnak elő.

A külső megjelenési formájuk szerint megkülönböztetünk:

• Formázott (sajtolt, húzott, öntött, vákuumformázott)
• Nem formázott

A tűzálló hőszigetelő anyagok lehetnek:

• Kerámiaszálas hőszigetelő anyagok, kőzetgyapot szigetelők
• Kalciumszilikát anyagok
• Mikroporózus szigetelők (WDS)
• Hőszigetelő téglák

A tűzállóanyagok fázisdiagramjai

A tűzállóanyagok lágyulási olvadási viselkedését a fázisdiagramok szemléltetik. Két és háromkomponensű anyagkeverékekre szokás ábrázolni ezeket. Segítségükkel elméleti megközelítést kaphatunk egy adott ideális kémiai összetételű tűzállóanyag esetében arról, hogy milyen hőmérsékletnél jelenik meg az olvadékfázis a tűzálló anyagokban. Természetesen a konkrét tűzálló anyagok összetétele mindig több komponenst tartalmaz, mint az ideális összetétel. Ezért a fázisdiagramok csak iránymutatásul szolgálnak. Az olvadék sokkal alacsonyabb hőfokon is megjelenhet, mint a fázisdiagramból leolvasható.

Szemléltetésül bemutatunk néhány két és háromkomponensű rendszer viselkedését ábrázoló diagramot.

- Al₂O₃ – SiO₂ Kétkomponensű rendszer

- CaO – MgO – SiO₂ Háromkomponensű rendszer

- Al₂O₃ – MgO – SiO₂ Háromkomponensű rendszer

- CaO – Al₂O₃ – SiO₂ Háromkomponensű rendszer

 

A tűzálló anyagok tulajdonságai

Tűzállóság

A tűzállóanyag tűzállóságának nevezzük azt a hőmérsékletet, melynél a tűzállóanyagból készült csonka gúla formájú vizsgálati minta saját súlya alatt elhajlik annyira, hogy a gúla teteje a talplemezhez ér.

A tűzállóanyagok általában több, változó olvadáspontú komponensből tevődnek össze, így határozott olvadáspontról nem beszélhetünk. Magas hőmérsékleten a legkisebb olvadáspontú komponens megolvad, és ha az olvadékfázis mennyisége és viszkozitása túllép egy bizonyos kritikus értéket, saját súlya alatt deformálódik, elveszíti szerkezeti stabilitását.

A tűzállósági érték nem azonos az alkalmazási hőmérséklettel.

Jelölése: SK (Seger gúla);-ez az elterjedtebb

vagy PK (piroszkópikus gúla)

 

Kémiai összetétel

Általában a tűzállóanyagok Al2O3, TiO2, SiO2, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O+K2O, Cr2O3 tartalmát vizsgáljuk. Tűzállóanyag fajtájától függően egyéb alkotókat is, mint pl. SiC, BaO.

Mértékegysége: %

 

Térfogatsúly

A térfogatsúly a tűzállóanyag súlyának és a pórusokkal együtt mért térfogatának hányadosa.

Mértékegysége: g/cm3, kg/dm3, t/m3

 

Vízfelvétel

A tűzállóanyagok vízfelvevő képessége arra ad választ, hogy a nyitott pórusok vízzel történő telítése során milyen tömegű vizet képes felvenni a minta száraz tömegéhez képest.

Mértékegysége: %

 

Porozitás

A tűzállóanyagok általában nem gáztömörek, mert kisebb, nagyobb zárt, vagy nyitott pórust tartalmaznak

- Nyitott, vagy látszólagos porozitás a nyitott pórusok térfogatának aránya a minta össztérfogatához, beleértve a pórusok térfogatát is

- Teljes porozitás a pórusok össztérfogatának aránya a minta össztérfogatához, beleértve a pórusok térfogatát is

Mértékegységük: %

 

Szilárdság

A legtöbb esetben a beépítésre kerülő tűzállóanyag szilárdsága igen fontos szerepet játszik, egyes esetekben ez a legfontosabb mutató.

Az általánosságban a nyomószilárdság vizsgálat az elterjedt, de emellett hajlító- vagy szakítószilárdság meghatározása is szükséges lehet, ahol az igénybevétel ezt indokolja.

A nyomószilárdság a tűzállóanyag ellenállása nyomó-igénybevétellel szemben.

Lehet hidegnyomó szilárdság, illetve melegnyomó szilárdság.

Mértékegysége: kp/cm2; N/mm2; Mpa

 

Terhelés alatti lágyulás

A beépített tűzállóanyagok üzemelés közben különböző feszültségeknek vannak kitéve. Maga a falazat súlya nyomó terhelést ad, de felléphetnek nyíró, hajlító feszültségek is. Az alkalmazás szempontjából ezért fontos adat a terhelés alatti lágyulás.

A terhelés alatti lágyulás a tűzállóanyag felhasználás közbeni viselkedésére jellemző, és megadja a felhasználás legmagasabb hőmérsékletét.

Mértékegysége: oC

 

Utózsugorodás, utónövekedés

A nem kellően kiégetett, vagy égetetlen tűzállóanyagoknál nagy hőmérsékleten történő igénybevétel esetén utólagos térfogatváltozások lépnek fel.

Számértéke a változás, hevítés előtti eredeti hossz- ill. térfogatra vonatkoztatott százaléka.

Maximális alkalmazási hőmérsékletnek tartjuk azt a hőmérsékletet, amelynél a lineáris utózsugorodás mértéke eléri az 1,5%-ot.

Mértékegysége: %

 

Hőtágulás

A kemencék építésénél fontos az alkalmazott tűzállóanyagok hőtágulásának ismerete, mert csak ennek birtokában lehet méretezni a dilatációs (tágulási) fugákat.

Általában a lineáris hőtágulást szokták meghatározni az eredeti méret százalékában.

Mértéke a hőmérséklettől függően változik, ezért a hőtágulási tényezőt adott hőmérsékletre, vagy hőmérséklet tartományra vonatkoztatjuk.

Mértékegysége: %

Ezen kívül létezik a köbös hőtágulás is.

 

Hőmérsékletváltozással szembeni ellenállás

(hőlökésállóság, rezzentés, abscreck)

 

Hőmérsékletváltozások hatására a tűzálló téglákon repedezések, lepattogzások keletkezhetnek. Ennek oka a téglákban található jelentős mennyiségű üveges fázis, égetés közben jelentkező belső feszültségek, fázisátalakulások, stb.

A hőmérsékletváltozással szembeni ellenállást hőingadozási (rezzentési) számmal fejezzük ki, amely azt mutatja meg, hogy a vizsgált tűzállóanyag hányszor bírta ki az előírt módon a felhevítést és lehűtést, amíg az ismételt hőingadozásnak kitett felület 50%-a a hirtelen hőváltozások hatására le nem pattogzott (széttöredezett).

Mértékegysége: ciklusok száma

 

Hővezetőképesség

A tűzállóanyagok sem szigetelnek tökéletesen, ezért a hő egy részét átengedik. Ezt a tulajdonságot nevezzük hővezetőképességnek. Lényeges, hogy a hővezetőképesség függ a tűzállóanyag hőmérsékletétől is.

Mértékegysége: W/mK

 

Sűrűség vagy Fajsúly

A fajsúly a finoman porított, megszárított, gyakorlatilag pórusmentesnek tekintett tűzállóanyag súlyának és térfogatának hányadosa.

Mértékegysége: kg/dm3, g/cm3

 

Hőkapacitás vagy Fajhő

A fajhő az a hőmennyiség, amely egységnyi tűzállóanyag hőmérsékletét 1 oC-kal növeli. A fajhő számértéke függ a hőmérséklettől.

Mértékegysége: kJ/kg0C

 

Gázáteresztő képesség

A gázáteresztő képesség a porózus tűzállóanyagok azon tulajdonsága, mely nyomáskülönbség hatására levegőt, vagy gázt ereszt át. Meghatározásával az anyag porozitásának jellegére kapunk választ (pórusméret, póruseloszlás)

A gázáteresztőképességi tényező elnevezése: perm, jele: Pm.

Az anyag 1 Pm gázáteresztőképességi tényezővel rendelkezik, ha az 1 cm hosszúságú próbatest 1 cm2 keresztmetszeti felületén 1 mp alatt 1 cm3 mennyiségű 1 poise viszkozitású gáz áramlik át 1 dm/cm2 nyomáskülönbség hatására.

A gázáteresztő képesség növekvő hőmérséklettel csökken, mivel a gázok viszkozitása nő.

 

Salakállóság

Különösen az olvadékokkal érintkező kemencefalazatoknál rendkívül fontos a beépített tűzállóanyagok salakállóságának ismerete.

A salakhatás fajtái olyan szerteágazóak, és a salakok összetétele, viszkozitása és áramlási viszonyai annyira különbözőek, hogy laboratóriumi körülmények között reprodukálni egyáltalán nem, vagy csak erősen korlátozva lehet.

Az egyik leggyakrabban használt vizsgálati módszer az ún. tégelyes módszer: a próbatestbe 50 mm átmérőjű furatot képezünk, melybe behelyezzük a korróziós reagenst (üveget, salakot, stb.) majd a próbatestet kemencébe téve meghatározott hőmérsékleten, meghatározott ideig hevítjük. A próbatestet a lehűlés után a furat tengelye mentén szétvágjuk és meghatározzuk a kimaródás, az olvadék felszívódás (infiltráció) mértékét.

 

Oldhatóság (savakban, lúgokban)

A tűzállóanyag különleges fajtája a saválló anyag.

A saválló tűzállóanyagok savas gázok, savas folyadékok és alkáli lúgok vegyi hatásainak ellenállnak. A saválló anyagok vizsgálatához koncentrált kénsav és koncentrált salétromsav keverékét alkalmazzák.

Az oldhatóság számértékét a megfelelő körülmények között létrejövő oldóhatás után bekövetkező százalékos súlycsökkenéssel adják meg.

 

Elektromos ellenállás és vezető képesség

A tűzállóanyagok szobahőmérsékleten általában nem vezetik az elektromos áramot, tehát igen nagy az ellenállásuk. A hőmérséklet növelésével azonban az ellenállás csökken és 1000 OC felett egyes tűzállóanyagok félvezetővé válnak. A vezetőképességet nagymértékben befolyásolják a szennyeződések, különösen a vas-szennyeződések károsak.

 

Tartós terhelés alatti deformáció (kúszás, creep)

Olyan tűzállóanyagok esetében, amelyek az alkalmazás során, a hőmérsékleten kívül még jelentős terhelést is kapnak, sajátos deformációs jelenségek léphetnek fel.

Ennek oka, hogy a tűzállóanyagokban már 1000-1100 OC hőmérsékleten mérhető mennyiségben képződik olvadékfázis, melynek viszkozitása és mennyisége, valamint a szemcsék és pórusok mennyisége, mérete, formája meghatározzák az anyag reológiai (folyási, deformációs) tulajdonságait.

A beépített tűzállóanyagok kúszását nagymértékben előidézheti a salak- vagy üvegolvadék, illetve szállópor is. Az olvadék vagy a szállópor hatására döntően megváltoznak a beépített anyagok tulajdonságai, már viszonylag csekély nyomás hatására az anyag 10-20%-os deformációt mutathatnak az eredeti méretükhöz képest. A kúszás különösen alacsony hőmérsékleten viszonylag lassan megy végbe, idővel ez a folyamat nem áll le, és állandó nyomás hatására közel állandó sebességgel folytatódik.

 

Koptatási ellenállás

A beépített tűzállóanyag elhasználódása többféleképpen történhet: salak, vagy fémolvadékban való oldódás, lepattogzás, gáz vagy más közegek hatására bekövetkező elmorzsolódás és mechanikus kopás formájában. Ez utóbbi különösen olyan esetekben következik be, amikor az aránylag alacsony (600-1200 OC) hőmérsékleten levő falazat huzamosabb időn keresztül van kitéve valamilyen dörzsölő hatásnak (pl. aknáskemence)