MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 3. Luento - Ti 3.11.2015 Tulenkestävien materiaalien käyttömuodot ja ominaisuudet Marko Kekkonen MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3op) Luennon sisältö - Tiilet, Massat, Erikoiskappaleet, Eristysmateriaalit Tulenkestävien materiaalien ominaisuudet - Kemialliset ominaisuudet - Termiset ominaisuudet - Mekaaniset ominaisuudet 2 1
Tulenkestävät tuotteet Massat Poltetut tiilet Muotoillut tuotteet (tiilet) Erikoistuotteet* Polttamattomat tiilet Emäksiset tiilet Happamat tiilet Emäksiset tiilet Happamat tiilet Keraaminen sidos Epäorgaanis/orgaanis-kemiallinen sidos * Sisältää esivaletut erityiskappaleet sekä eristysmateriaaleista kuitumaiset tuotteet Lähde: European Refractories Producers Federation PRE product carbon footprint report, 2013. 3 Euroopassa tulenkestävien tuotannosta vuonna 2013 oli - 56 % erilaisiamuotoiltuja tuotteita kuten tiiliä * suurin ryhmä MgO-pohjaiset emäksiset tiilet - 44 % massoja * suurin ryhmä alumiinisilikaattiset materiaalit Päätuotteet Euroopassa, 2008 Materiaali Tuotanto, Mt Magnesia 2.4 Samotti 1.2 Korkea aloksi 0.8 Lähde: European Refractories Producers Federation Annual Report 2013. 4 2
Tiilet Yleisin käyttömuoto, mutta viime aikoina niiden osuus on jonkin verran vähentynyt ja massauksen osuus kasvanut. Valmistustavan perusteella tiilet voidaan jakaa poltettuihin, polttamattomiin ja sulavalettuihin tiiliin. Sidostapa Poltetut tiilet Polttamattomat tiilet - lämpökäsiteltynä - ilman lämpökäsittelyä Sulavaletut tiilet - keraaminen sidos, poltto < 1700 º C - keraaminen sidos, poltto > 1700 º C (korkea-poltto) - epäorgaanis-kemiallinen sidos (sulfaatti, fosfaatti) - orgaanis-kemiallinen sidos (terva, piki) Kuva: Teräskirja, 2009 5 Tiilet Raaka-aineet - Tulenkestävien puhtaudelle ja ominaisuuksille asetetaan entistä tiukempia vaatimuksia, fi siirrytty entistä enemmän käyttämään synteettisiä raaka-aineita. - Esim. nykyisissä korkealuokkaisissa tiilissä käytetyt raaka-aineet ovat suurimmalta osaltaan synteettisiä - Synteettisiin raaka-aineisiin kuuluvat merkittävänä ryhmänä kierrätettävät tulenkestävät materiaalit 6 3
Poltetut tiilet Tiilten valmistusprosessi vie aikaa hyvin runsaasti: n. 10 päivää - 15 viikkoa tuotteesta riippuen. Polttoaika vaihtelee välillä 3-20 päivää. Tiilten polttolämpötilat ovat suurin piirtein seuraavat: - Samotti 1250-1500 C : mulliitin muodostuminen (Al 6 Si 2 O 3 ) -Silika 1450-1500 C : kvartsi fi tridymiitti + kristobaliitti (palautumaton) - Aloksi 1500-1800 C - Magnesia 1400-1800 C Käytetään erityisesti kohteissa, joissa lämpötilat ovat tasaisesti korkeita ja rakenteelta vaaditaan suurta lujuutta. Poltetut tiilet ovat täysin vedettömiä, joka helpottaa käyttöönottoa ja vähentää höyryräjähdyksen riskiä. 7 Polttamattomat tiilet Runkoaine sitoutuu jollain kemiallisella yhdisteellä: - epäorgaanis-kemiallinen sidos (esim. fosfaatit, sulfaatit) sulavat korkeissa lämpötiloissa fi keraaminen sidos - orgaanis-kemiallinen sidos (esim. terva, piki) Fosfaattien käyttö perustuu niiden korkeaan sulamispisteeseen, jolloin kemiallinen sidos kestää keraamisen sidoksen syntyy saakka. Pikeä on käytetty pitkään etenkin emäksisten tiilten sideaineena. Kosteuden poisto tapahtuu käyttökohteessa (jos ei lämpökäsitelty) Sulavaletut tiilet Valmistetaan siten, että sulatetaan tulenkestävää materiaalia ja valetaan muottiin. 8 4
Tiilet Tiili on muotoon valmistettu tuote, joka toimitetaan ennalta määrätyissä mitoissa. Eri muodoille ja mitoille löytyy standardit - 230 mm x 114 mm x 64 tai 76 mm - 250 mm x 124 mm x 64 tai 76 mm. - 300 mm x 148 mm x 75 mm Tiilten yleisin muoto on ns. suora tiili. Muita muotoja ovat esim. koko- ja puoliholvitiilet sekä eri halkaisijamitoille suunnitellut säteistiilet. 9 Massat Massojen käyttö vuorausmateriaaleina alkoi 1910-luvulla. Mineralogiselta koostumukseltaan tiilet ja massat ovat hyvin samanlaisia. Massat eroavat tiilistä lähinnä asennustavan ja käyttöönoton perusteella. - Asennustapoja: valaminen (asennetaan muottiin valamalla), ruiskutus (märkä- ja kuivaruiskutus) slammaus tamppaus - Asennus vaativampaa kuin tiilien muuraus. Massoilla kuivaus ja poltto tehdään vasta käyttöpaikalla. 10 5
Massat Massat ovat useasti tulenkestävällä sementillä sidottuja. - matalasementtiset massat (2.5% > CaO > 1.0%) - erittäin (ultra)matalasementtiset massat (1.0% > CaO > 0.2%) - sementittömät massat (CaO < 0.2%) Matala- ja ultramatalasementtiset massat sisältävät kalsiumaluminaattisementtiä ja yhtä tai useampaa hienoa pulveria (esim. mikrosilika, alumina tai magnesia). fi lujempia kuin perinteiset valumassat CaO-pitoisuuden alentaminen parantaa korkealämpötilaominaisuuksia fi tuotteita voidaan käyttää korkeammissa lämpötiloissa 11 Massat Tulenkestävät massat ovat kehittyneet huomattavasti viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana. Nykyään massojen osuus on lähes 50 % kaikista tulenkestävistä materiaaleista. Massojen käytön kasvuun vaikuttaneita tekijöitä: - Valmistus vaatii suhteellisen pienen investoinnin, - Massat ovat joustavia varastoinnin ja käytön suhteen, - Massat ovat hinnaltaan kilpailukykyisiä, - Massojen kestoikä on tiilten luokkaa, - Massatut rakenteet on helppo korjata. Muita etuja ovat mm. se, että vuorausrakenteesta tulee saumaton, monoliittinen vuoraus ja se, että massoja voidaan käyttää vuorauksen korjaamiseen uunin ollessa kuumana. Käytetään kulutus-, eristys- ja taustavuoraukseen sekä korjaukseen 12 6
Massat Yhä tiiviimpien valumassojen yleistyessä muodostaa vedenpoisto rakenteesta yhä suuremman ongelman, vaikka tuoreen massan sisältämä vesimäärä on aiempaa pienempi. Johtuu pienentyneestä huokoisuudesta. Pieni huokoisuus ja korkea tuorelujuus voivat johtaa höyryräjähdyksiin, joten kuivaukseen käytettävää aikaa on lisättävä tai materiaalin lujuutta pienennettävä. fi Kuivamassojen käyttö 13 Massat Massoja käytetään mm. senkkojen vuorausmateriaalina. konvertterin paikkaus massoja käyttäen Kuvat: K-H. Dott, Alumina Based monolithic refractories, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. Eetu-Pekka Heikkinen. Tulenkestävät materiaalit pyrometallurgisissa prosesseissa.metallurgiset prosessit ja niiden mallinnus, 2014 14 7
Erikoiskappaleet Valmiita muotoon tehtyjä kappaleita, joiden rakenne on spesifisempi kuin tiilillä. Valmistetaan tulenkestävistä valu- tai sullomassoista. Esim. teräksen jatkuvavalu ja senkkametallurgia edellyttävät tulenkestävien erikoiskappaleiden käyttöä. Kappaleiden tehtävänä on esim. johtaa kaasuja sulaan, säätää virtausta tai suojata virtausta ilma-atmosfääriltä. väliallas Jatkuvavalun erikoiskappaleet 15 Jatkuvavalun erikoiskappaleet Jatkuvavalun tulenkestäviltä vaaditaan samanaikaisesti hyvää lämpötilanvaihtelun kestävyyttä sekä kemiallistaja mekaanista kestävyyttä. Tällaista materiaalia ei kaupallisista tuotteista löydy fi räätälöityjä ratkaisuja (materiaalien yhdistelmät) painottaen kuhunkin sovellukseen parhaimmat ominaisuudet tuovaa kokonaisuutta. 16 8
Jatkuvavalun erikoiskappaleet Kappaleille on tyypillistä lyhyet käyttöiät fi niiden tulee olla helposti käsiteltäviä ja vaihdettavia. Tärkein vaatimus on kuitenkin käyttövarmuus, sillä suunniteltua nopeampi kuluminen tai rikkoutuminen useimmiten pysäyttää prosessin tai häiritsee sitä, jolloin vahingot sekä tappiot saattavat olla erittäin suuria. Muodostavat kustannuksiltaan merkittävän osan kaikista tulenkestävistä - kalliit yksikköhinnat (raaka-aineet, vaativa valmistusprosessi) - suuri kappalemääräinen kulutus 17 Jatkuvavalun erikoiskappaleet Senkan liukusuljin Kriittinen laite sekä teräksen laadun että valmistusvarmuuden kannalta. Säätää teräksen virtausta senkasta välialtaaseen. Suojaa terästäilma-atmosfääriltä. Koostuu kahdesta toisiaan vasten puristetusta levystä, joista alempaa liikutetaan joko hydraulisesti tai sähköisesti. Levyjen yläpuolella on sisäsuutin ja alapuolella alasuutin kehystiili sisäsuutin kiinteä ylälevy liukuva alalevy alasuutin 18 9
Jatkuvavalun erikoiskappaleet Senkan liukusuljin Voimakkain kuluminen kohdistuu useimmiten levyihin. Tulenkestävien kestävyys riippuu voimakkaasti käyttöolosuhteista, kuten teräslajista, valuajasta, lämpötilasta, teräksen määrästä jne. Liukusulkimen kulumismekanismeja. Aiheuttaja Teräsvirtauksen aiheuttama korroosio ja eroosio Lämpöshokki Teräksen tunkeutuminen liukupitojen väliin Kulumisilmiö - reiän suureneminen - reiän kulmien kuluminen - liukupinnan kuluminen - säteittäiset halkeamat - reiän kulmien lohkeilu - liukupinnan hilseily - liukupinnan rapautuminen Lähde: H. Erkkilä (Ovako Bar), Liukusulkimen tulenkestävät, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 19 Jatkuvavalun erikoiskappaleet Senkan liukusuljin Kuluminen on seurausta eri tekijöiden yhteisvaikutuksesta ja levymateriaaleja valittaessa on usein löydettävä kompromissi, joka huomioi prosessiolosuhteet sekä valmistettavat teräslaadut. Käytettävät materiaalit ovat varsin lujia ja lämpöshokin kestoltaan kohtuullisia, merkittävin tekijä on kuitenkin kemiallinen korroosio. kehystiili sisäsuutin kiinteä ylälevy liukuva alalevy alasuutin sisäsuutin alasuutin Lähde: H. Erkkilä (Ovako Bar), Liukusulkimen tulenkestävät, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 20 10
Jatkuvavalun erikoiskappaleet Senkan liukusuljin Liukusulkimen tulenkestävät osat tarkistetaan ennen jokaista valua ja tarvittaessa vaihdetaan uusiin. Senkan sisäsuutin vaihdetaan kerran senkkakierron aikana. Levyillä ajetaan 4-5 sulatusta Alasuuttimella maksimissaan 3 sulatusta. Lähde: H. Erkkilä (Ovako Bar), Liukusulkimen tulenkestävät, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 21 Jatkuvavalun erikoiskappaleet Suihkusuojaputki Suojaa terästä ilma-atmosfääriltä Tulenkestävänä materiaalina käytetään yleisimmin isostaattisesti puristettua aloksi-grafiittiputkea. Kiinnitetään liukusulkimen alasuuttimeen. Voidaan ajaa yleisesti noin viiden senkan valusarja. Kulumisen puolesta putkella voisi usein valaa myös toista valusarjaa, mutta useimmat putkimateriaalit eivät kestä valusarjojen välistä jäähdytymistä ja uudelleen käyttöönottoa. Lähde: J. Kärjä (Rautaruukki Steel), Teräksen jatkuvavalun erikoiskappaleet,tulenkestävät materiaalit 2-3.10.2003, POHTO, Oulu. 22 11
Jatkuvavalun erikoiskappaleet Suljintanko Säädetään virtausta välialtaasta kokilliin. Virtaus saadaan halutuksi säätämällä tangon pään ja valuputken yläosan välistä rakoa. Lämpöjännitykset tangossa merkittävin rasite. väliallas Lähde: J. Kärjä (Rautaruukki Steel), Teräksen jatkuvavalun erikoiskappaleet,tulenkestävät materiaalit 2-3.10.2003, POHTO, Oulu. 23 Jatkuvavalun erikoiskappaleet Suljintanko Eri kohtiin tankoa kohdistuvien erilaisten rasitusten vuoksi ovat suljintangot yleisesti eri materiaalien yhdistelmiä. Runko yleisesti samankaltaisia materiaaleja kuin suihkusuojaputkissa. Pää korroosiota kestävämpään materiaalia joko - korkeamman aloksipitoisuuden omaavaa tai - magnesiapohjaista materiaalia. Eri materiaalit puristetaan isostaattisesti yhtenäiseksi kappaleeksi. Lasitettu ulkopinta (suojaa hapettumiselta) ja alapään pinnoite (estää kiinnitarttumista) tehdään viimeistelyssä polton jälkeen. Runko Pää Al 2 O 3 51.6 63.9 43 78 SiO 2 6.8 3.64 13 4.2 MgO 72 SiC 5.5 5 ZrO 2 4.56 C 31.7 23.2 29 15.9 16.5 Lähde: J. Kärjä (Rautaruukki Steel), Teräksen jatkuvavalun erikoiskappaleet,tulenkestävät materiaalit 2-3.10.2003, POHTO, Oulu. 24 12
Jatkuvavalun erikoiskappaleet Valuputki Toimii osana virtauksen säätöä yhdessä sulkutangon kanssa Suojaa terästä ilma-atmosfääriltä Ohjaa teräsvirtausta kokillissa väliallas 25 Jatkuvavalun erikoiskappaleet Valuputki Alkujaan yhdestä materiaalista valmistettuja putkia Valuputken eri osiin kohdistuu erilaisia rasituksia fi nykyään valmistetaan yhdistelmällä eri materiaaleja Valuputki tukkeutuu matalahiilisiä alumiinitiivistettyjä teräksiä valettaessa (Al 2 O 3 keräytyy sisäpinnalle) fi sisäosan materiaalien tulee olla sellaisia, että ne estävät Al 2 O 3 kiinnitarttumisen. Lähde: J. Kärjä (Rautaruukki Steel), Teräksen jatkuvavalun erikoiskappaleet,tulenkestävät materiaalit 2-3.10.2003, POHTO, Oulu. 26 13
Eristysmateriaalit Käytetään parantamaan uunien termistä hyötysuhdetta. Eristemateriaaleille asetetaan kaksi perusvaatimusta: 1. Lämmönjohtavuuden tulee olla mahdollisimman pieni. 2. Lämpökapasiteetin tulee olla mahdollisimman pieni, jotta rakenteeseen varastoituu mahdollisimman vähän lämpöä. 27 Eristysmateriaalit Rakenne muodostuu kiintoaineesta ja huokoskanavista* Suuri huokoisuus antaa materiaalille erinomaisen eristyskyvyn, mutta vähäisestä kiintoainemäärästä aiheutuu toisaalta myös heikkouksia: - Heikko mekaaninen lujuus, - Kulumisherkkyys virtaavia kaasuja sekä hankausta vastaan, - Haitallisten kaasujen laaja-alainen vahingollinen vaikutus, - Eristystiilien ja massojen lämpöshokin kesto on heikko, - Herkkyys sintrautumiseen korkeissa lämpötiloissa ts. huono tilavuuspysyvyys. Voidaan käyttää taustavuorauksena ja kulutuspinnalla. Kemiallista ja mekaanista kulumiskestävyyttä voidaan parantaa erilaisilla pinnoitteilla. * Korkean lämpötilan eristysmateriaaleissa huokosten osuus on vähintään 45 % ja useimmiten 70-90 %. 28 14
Eristysmateriaalit Kuidut Kuitumaiset eristystuotteet eroavat eristystiilistä ja massoista makro- ja mikrorakenteensa osalta. Tulenkestävät keraamiset kuitumaiset eristysmateriaalit ovat muotoiltavia ja kestävät erittäin hyvin lämmönvaihtelua. Erittäinsuuri huokoisuus fi hyvä eristävyys sekä pieni kiintoainemäärä fi vähäinen lämmön varastoituminen. Kestävät huonosti mekaanista rasitusta Tärkeimmät kuitutuotteet sisältävät 40-60 % Al 2 O 3 :a. Myös lasi-, zirkoniumoksidi- sekä hiilikuituja käytetään. Kuituvuorausta voidaan käyttää ainoana vuorauksen materiaalina jos mekaanisen kulutuksen tai kuonahyökkäyksen vaaraa ei ole. Myös sulfaatit, kloridit, fluoridit ja alkalit aiheuttavat kuitujen tuhoutumisen. Käyttökohteina ovat erityisesti lämmitysuunit. Maksimi käyttölämpötila kuiduille on 1260 C ja korkealämpötilakuiduille 1400 C. 29 MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3op) Luennon sisältö - Tiilet, massat, erikoiskappaleet, eristysmateriaalit Tulenkestävien materiaalien ominaisuudet - Kemialliset ominaisuudet - Termiset ominaisuudet - Mekaaniset ominaisuudet 30 15
Vuorauksiin kohdistuvat rasitukset Vuorausmateriaalin kemiallisen ja mineralogisen koostumuksen sekä fysikaalisten ominaisuuksien tulee vastata käyttöolosuhteissa vuoraukseen kohdistuvia vaatimuksia. Olosuhteisiin sopivan vuorausmateriaalin valinnassa on tunnettava eri materiaalien ominaisuuksien lisäksi myös käyttöolosuhteissa vuoraukseen kohdistuvat rasitukset: - Kemialliset, termiset, mekaaniset rasitukset vs. materiaalin ominaisuudet 31 Tulenkestävien materiaalien ominaisuuksia Tärkeimmät ominaisuudet kemiallista rasitusta vastaan Materiaaliin liittyviä ominaisuuksia - Kemiallinen koostumus voidaan määrittää esim. röntgenfluoresenssianalyysillä (XRF). - Mineraloginen koostumus voidaan selvittää röntgendiffraktometrillä (XRD). - Kokonaishuokoisuus voidaan määrittää elohopeamenetelmällä. - Avoin huokoisuus määritetään kyllästämällä näytekappale huoneenlämpöisellä tai kiehuvalla vedellä tai muulla nesteellä. - Kaasunläpäisevyyttä voidaan mitata paine- tai imulaitteistolla. Prosessiolosuhteisiin liittyvät ominaisuuksia - Kuonankestoa voidaan tutkia ns. upokastestillä. - Parhaiten prosessiolosuhteita voidaan jäljitellä pilot-uuneilla. 32 16
Tulenkestävien materiaalien ominaisuuksia Tärkeimmät ominaisuudet kemiallista rasitusta vastaan 50 Mineraloginen koostumus (XRD) Lin (Counts) 40 30 20 10 0 6 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale 08tt09331 - File: 08tt09331.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 6.000 - End: 70.000 - Step: 0.050 - Step time: 1. s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 16 s - 2-Theta: 6.000 - Thet Operations: Background 0.000,1.000 Import 01-088-1913 (C) - Enstatite ferroan - (Mg1.561Fe.439)Si2O6 - Y: 61.06 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 18.28500 - b 8.86700 - c 5.20200 - alpha 90.000 - beta 90.000 - ga 00-039-1346 (*) - Maghemite-C, syn - Fe2O3 - Y: 69.84 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 8.35150 - b 8.35150 - c 8.35150 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - 00-046-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 47.17 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91344 - b 4.91344 - c 5.40524 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P 01-080-0944 (C) - Olivine - Mg2(SiO4) - Y: 35.95 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 4.75800 - b 10.21200 - c 5.98800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 33 - Primitiv 00-038-0448 (Q) - Opal-A - SiO2 xh2o - Y: 36.68 % - d x by: 1. - WL: 1.5406-00-039-1425 (*) - Cristobalite, syn - SiO2 - Y: 31.23 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.97320 - b 4.97320 - c 6.92360 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive Tulenkestävien materiaalien ominaisuuksia Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Tulenkestävyys - ns. Segerin keilatesti Tulenkestävyys kuormitettuna/ painepehmeneminen (ISO 1893:2007) 34 17
Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Tulenkestävyys kuormitettuna / Painepehmeneminen ISO 1893:2007 Koekappaleeseen kohdistetaan vakiokuorma ja lämpötilaa nostetaan vakionopeudella. Mitataan koekappaleessa tapahtuvaa kutistumista. 35 Lähde: Netzsch Instruments for Testing Refractories Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Tulenkestävyys kuormitettuna / Painepehmeneminen Silikatiilet (4,5) säilyttävät lujuutensa korkeisiin lämpötiloihin asti. Pehmeneminen tapahtuu vasta lähellä sulamispistettä romahdusmaisesti. Magnesiatiilet (3,6) ovat painekestäviä korkeisiin lämpötiloihin asti. (riippuu epäpuhtauksista) Alumiinisilikaattiset tiilet (1,2) omaavat laajan pehmenemisalueen. (laaja puuroaluea SiO 2 -Al 2 O 3 systeemissä) Eräiden keraamitiilien painepehmeneminen lämpötilan funktiona. - Heikko paineenkesto korkeissa lämpötiloissa tulee ottaa huomioon seinämiä rakennettaessa, jolloin alemmat tiilikerrokset voivat joutua hyvinkin suuren paineen alaiseksi. Lähde: J. Härkki, Mitä olet aina halunnut tietää tulenkestävistä?, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 36 18
Tulenkestävien materiaalien ominaisuuksia Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Tulenkestävyys - ns. Segerin keilatesti Tulenkestävyys kuormitettuna/ painepehmeneminen (ISO 1893:2007) Lämpölaajeneminen - tilavuuden muutos (%) lämpötilan funktiona 37 Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Lämpölaajeneminen Eräiden vuorausmateriaalien lämpölaajeneminen Silikatuotteet (4) omaavat erittäin suuren lämpölaajenemisen huoneenlämpötilasta noin 600 C:en asti. Korkeammissa lämpötiloissa lämpölaajeneminen on nolla. Tästä seuraa, että tuotteet ovat erittäin herkkiä lämpötilan vaihteluille matalissa lämpötiloissa mutta lähes tunnottomia korkeammassa lämpötilassa tapahtuville lämpöshokeille. Magnesia-tiilillä (1) on suuri lämpölaajenemiskerroin kaikissa lämpötiloissa. - Suunnittelu on suoritettava erittäin tarkasti. - Käytettävä paisuntasaumoja. Lähde: J. Härkki, Mitä olet aina halunnut tietää tulenkestävistä?, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. - Vuoraukset voivat höltyä jäähtymisen yhteydessä aiheuttaen halkeamia ja mahdollisesti rakenteen heikentymistä. Alumiinisilikaattiset tuotteet (8,9) omaavat pienemmän lämpölaajenemisen ja näin yllä mainittuja magnesiatiilen ongelmia ei yleensä esiinny. 38 19
Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Lämpölaajeneminen Ref. An introduction to refractories, Definitions, Raw materials. www.rhi-ag.com, 05-09 39 Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Lämpölaajeneminen / viruminen Eräiden vuorausmateriaalien lämpölaajeneminen ja viruminen paineen alaisuudessa (ISO 3187) 1500 C:n lämpötiloissa kaikissa tulenkestävissä materiaaleissa esiintyy epäpuhtauskomponenttien aiheuttamia sulia faaseja. Lähde: J. Härkki, Mitä olet aina halunnut tietää tulenkestävistä?, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 40 20
Tulenkestävien materiaalien ominaisuuksia Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Tulenkestävyys - ns. Segerin keilatesti Tulenkestävyys kuormitettuna/ painepehmeneminen (ISO 1893) Lämpölaajeneminen - tilavuuden muutos (%) lämpötilan funktiona Lämpötilan vaihteluiden kestävyys - Tärkeä varsinkin epäjatkuvasti toimivissa kohteissa. - Ominaisuus määritetään sammuttamalla suoraan uunista otettu koekappale joko vedellä tai paineilmalla. Kestävyyden mittana on lämmitys-sammutussyklien lukumäärä, jonka kappale kestää rikkoutumatta. Lämmönjohtavuus - Kuinka suuri lämpövirta kulkee materiaalin läpi tietyllä lämpötila-alueella. - Voidaan määrittää esim. kuumalankamenetelmällä (ISO 8894) Lämpökapasiteetti - Kuinka paljon vuoraukseen on sitoutunut lämpöä yhtä neliömetriä kohti (kalorimetri) 41 Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Lämmönjohtavuus Tulenkestävien materiaalien lämmönjohtavuus Al 2 O 3 -SiO 2 materiaalin lämmönjohtavuus on melko matala kasvaen Al 2 O 3 pitoisuuden kasvaessa (3,10). MgO-CaO ryhmän lämmönjohtavuus on edellistä korkeampi kasvaen MgO:n pitoisuuden kasvaessa (5,8,13) Hiiltä sisältävien vuorausmateriaalien lämmönjohtavuus on huomattavasti edellisiä korkeampi (14,15,16). Käytettäessä grafiittia (16) kuonasuojaukseen esim. magnesiatiilillä (13) kasvaa tiilen lämmönjohtavuus usein moninkertaiseksi, jolloin eristevuoraus on suunniteltava erityisen huolella. Lähde: J. Härkki, Mitä olet aina halunnut tietää tulenkestävistä?, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 42 21
Tärkeimmät ominaisuudet termisiä rasituksia vastaan Lämmönjohtavuus Rajapinnoilla lämpötilat voivat kohota eristystä parannettaessa runsaastikin. fi Mahdollinen sulan muodostuminen rajapinnoille. Lämpötila eri vuorauskerrosten rajapinnoilla muutettaessa eristystä. Lähde: J. Härkki, Mitä olet aina halunnut tietää tulenkestävistä?, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 43 Tulenkestävien materiaalien ominaisuuksia Tärkeimmät ominaisuudet mekaanisia rasituksia vastaan Puristuslujuus - Mitta materiaalin mekaaniselle lujuudelle. - Koekappaleen murtumiseen tarvittavan kokonaiskuorman ja koekappaleen poikkipinta-alan suhde (N/mm 2 ). Hankauslujuus - Paineen lisäksi tulenkestävään vuoraukseen kohdistuu myös hankaavaa kulutusta mm. sulien liikkeen vuoksi. - Määritetään kohdistamalla materiaaliin hankaavaa ainetta ja mitataan tämän jälkeen kuinka paljon materiaalia on kulunut pois. - Huoneenlämpötila (ei verrannollinen prosessiolosuhteisiin) Taivutuslujuus (ISO 5013) - Kuinka hyvin materiaali vastustaa muodonmuutosta (N/mm 2 ) Pieni huokoisuus fi hyvä mekaaninen lujuus 44 22
Tulenkestävien materiaalien ominaisuuksia Testausmenetelmiä on standardisoitu Standardeissa on määritetty kutakin testiä koskien mm. - näytteiden lukumäärä - koekappaleiden koko - uunin lämpötilan nostonopeus - koelämpötilat - pitoajat Teollisuudessa käytetään myös testausmenetelmiä, jotka eivät ole standardin mukaisia, vaan määrättyä tarkoitusta varten suunniteltuja tai standarditesteistä muokattuja. http://www.restar.eu/home/testing-standards-for-refractories/ 45 46 23
LC-massa 47 24