Иррадиационная способность многошамотных огнеупоров

В диаграмме состояния системы Аl2О3 – SiO2 имеется большое сходство по исходному минералогическому составу между шамотными, полукислыми и каолиновыми огнеупорными составами. Признаком принадлежности огнеупорного состава к классу шамота является содержание Аl2О3, составляющее от 28 до 45 %.

Для производства шамота могут быть использованы любая огнеупорная глина и каолин. Так как единственной твердой устойчивой фазой в диаграмме состояния системы Аl 2 О 3 – SiO 2 является муллит

3Аl₂О₃ ⋅ 2SiO₂, излучательная способность должна соотноситься к содержанию этой фазы в составе огнеупора. Муллит содержит 72 % Аl 2 О 3 и 28 % SiO 2 .

Чистые тугоплавкие окислы являются диэлектриками. При нагревании в области высоких температур образуются легкоплавкие эвтектики, которые переводят огнеупоры из класса диэлектриков в класс полупроводников.

Поскольку диэлектрики по сравнению с полупроводниками имеют более высокую излучательную способность, то от количества тугоплавкой фазы зависит не только огнеупорность, но и излучательная способность при высоких температурах.

Огнеупорность шамотных, каолиновых и полукислых изделий находится в пределах 1580–1770°С, она обусловливается химическим составом применяемого сырья и, как отмечено выше, фазовым составом получаемых изделий.

Отечественные шамотные изделия в зависимости от огнеупорности подразделяют на четыре класса. По стандарту США шамотные огнеупоры подразделяются на группы в зависимости от температуры применения, а не огнеупорности. В России принята следующая классификация шамотных огнеупоров: Класс ............................................... 0     А     Б      В

Огнеупорность, °С, не ниже ............. 1750    1730    1670    1610.

Для обеспечения огнеупорности имеет значение распределение глинозема в готовых изделиях между крупными зернами и мелкими (связкой). Если зерновой состав исходной шихты подобрать так, что мелкие зерна (связка) будут содержать больше глинозема, то и количество образующегося расплава при производстве огнеупоров уменьшится. Следовательно, имеет значение не столько общее содержание глинозема, а и содержание глинозема в связке (тонкой части шихты).

Свойства шамотных изделий в значительной степени зависят от выбора глины, предназначенной на связку, и глины, предназначенной на шамот.

В качестве связки предпочтительнее выбирать глины, обладающие следующими свойствами: высокой связующей способностью, меньшими коэффициентом чувствительности к сушке и упругим расширением при прессовании, более высоким содержанием глинозема, но с меньшим выходом муллита и меньшей способностью отделять жидкую фазу.

Все результаты относятся к стабилизированным значениям излучательной способности при неодократных нагревах одних и тех же образцов огнеупоров.

Для большинства огнеупоров интегральная излучательная способность ε n наиболее сильно снижается с ростом температуры в диапазоне 600–1400 К.

Не удалось обнаружить влияние на ε n параметров шероховатости поверхности образцов огнеупоров: Ra – cреднеарифметического отклонения неровностей профиля (мкм) и Sm – среднего шага неровностей профиля (мм) на излучательную способность.

Излучательные способности шамотных огнеупоров с данными для чистых оксидов SiO 2 и Al 2 O 3 , следует отметить, что шамотные огнеупоры имеют при 1000 К излучательную способность в среднем на 16 % выше, чем чистые оксиды SiO₂ и Al₂O₃.

По всей вероятности, этот факт можно объяснить тем, что в составе шамота оксиды SiO2 и Al2O3 находятся в связанном состоянии в виде муллита 3Аl2О3⋅2SiO2, и спектр излучения шамота представляет собой спектр излучения твердого раствора муллит + кристобалит. Так как шамотные огнеупоры представляют собой твердые растворы муллита (3Аl2О3⋅2SiO2) в кристобалите SiO2, интегральная излучательная способность шамотных огнеупоров может быть записана как:

ε шам = m кр ε кр + m мул ε мул ,

где m _кр , m _мул , ε _кр , ε _мул – соответственно массовые доли и интегральные излучательные способности кристобалита и муллита в составе шамота.

Таким образом, имея значения интегральной излучательной способность кристобалита и муллита, можно рассчитать излучательную способность шамотного огнеупора.

Содержание муллита в шамотном огнеупоре может быть определено по правилу рычага. Муллит 3Аl 2 О 3 ⋅ 2SiO 2 представляет собой не механическую смесь SiO₂ и Al₂O₃ , а самостоятельную кристаллическую фазу (химическое соединение) с плотностью 3,19 г/см³.

Сравнивая полученные данные по спектральной излучательной способности шамотных огнеупоров с данными для чистых оксидов SiO₂ и Al 2 O 3 , можно заметить : при длинах волн от 2 до 3 мкм нет сильного увеличения излучательной способности, которое можно было ожидать в случае механической смеси оксидов SiO₂ и Al₂O₃.

Спектр излучения шамотных огнеупоров сплошной и поэтому он подчиняется закону смещения Вина. При температуре 600 К максимум излучения находится на длине волны 4,8 мкм, а при 1400 – на длине волны 2,06 мкм.. В области длин волн 2 мкм излучательная способность шамота в среднем 0,3, а в области 4,8 мкм – 0,6. Поэтому при максимуме излучения для 600 К, приходящемся на область длин волн с высокой излучательной способностью 0,6 и интегральная излучательная способность будет выше, чем для температуры 1400 К.