Vuurvaste materiale

In materiaalkunde is  vuurvaste materiaal  'n materiaal wat bestand is teen ontbinding deur hitte, druk of chemiese aanval, en wat sterkte en vorm by hoë temperature behou. Vuurvaste materiale is polikristallyn, veelfasig, anorganies, nie-metaal, poreus en heterogeen. Hulle is tipies saamgestel uit oksiede of karbiede, nitriede ens. van die volgende elemente: silikon, aluminium, magnesium, kalsium, boor, chroom en sirkonium.

ASTM C71 definieer vuurvaste materiale as "nie-metaalmateriaal met die chemiese en fisiese eienskappe wat dit toepaslik maak vir strukture, of as komponente van stelsels, wat aan omgewings bo 538 °C blootgestel word ".

Vuurvaste materiale word in oonde, brandoonde, verbrandingsoonde en reaktore gebruik. Vuurvaste materiale word ook gebruik om kroese en gietvorms te maak vir die giet van glas en metale en vir die oppervlakbedekking  van vlamdeflektortelsels vir vuurpyllanseringstrukture. Hedendaags gebruik die yster- en staalindustrie en metaalgietsektore ongeveer 70% van alle vuurvaste materiale wat geproduseer word.

Vuurvaste materiale 
Vuurvaste materiale moet chemies en fisies stabiel wees by hoë temperature. Afhangende van die bedryfsomgewing, moet hulle bestand wees teen termiese skok, chemies inert wees, en/of spesifieke bereike van termiese geleidingsvermoë en van die termiese uitsettingskoëffisiënt hê.

Die oksiede van aluminium (alumina), silikon (silika) en magnesium (magnesia) is die belangrikste materiale wat in die vervaardiging van vuurvaste materiale gebruik word. Nog 'n oksied wat gewoonlik in vuurvaste materiale voorkom, is die oksied van kalsium (kalk). Vuurkleie word ook wyd gebruik in die vervaardiging van vuurvaste materiale.

Vuurvaste materiale moet gekies word volgens die toestande wat hulle sal ondervind. Sommige toepassings vereis spesiale vuurvaste materiale. Sirkonia word gebruik wanneer die materiaal uiters hoë temperature moet weerstaan. Silikonkarbied en koolstof (grafiet) is twee ander vuurvaste materiale wat in sommige baie hoëtemperatuurtoestande gebruik word, maar hulle kan nie in suurstofhoudende omgewings gebruik word nie, aangesien hulle sal oksideer en brand.

Binêre verbindings soos wolframkarbied of boornitried kan baie vuurvas wees. Hafniumkarbied is die mees vuurvaste binêre verbinding bekend, met 'n smeltpunt van 3890 °C. Die ternêre verbinding tantaal-hafniumkarbied het een van die hoogste smeltpunte van alle bekende verbindings (4215) °C).</ref>

Molibdeendisilisied het 'n hoë smeltpunt van 2030 °C en word dikwels as 'n verhittingselement gebruik.

Gebruike 
Vuurvaste materiale is nuttig vir die volgende aanwendings: 

 Dien as 'n termiese versperring tussen 'n warm medium en die wand van 'n houer
 Weerstaan fisiese spanning en voorkom erosie van vaatwande as gevolg van die warm medium
 Beskerm teen korrosie
 Die verskaffing van termiese isolasie

Vuurvaste materiale het verskeie nuttige toepassings. In die metallurgiese bedryf word vuurvaste materiale gebruik om oonde, brandoonde, reaktore en ander houers uit te voer wat warm media soos metaal en slak bevat en vervoer. Vuurvaste materiale het ander hoëtemperatuurtoepassings soos gestookte verwarmers, waterstofhervormers, primêre en sekondêre hervormers van ammoniak, kraakoonde, nutsketels, katalitiese kraakeenhede, lugverwarmers en swaweloonde.

Klassifikasie van vuurvaste materiale 
Vuurvaste materiale word op verskeie maniere geklassifiseer, gebaseer op:

 Chemiese samestelling
 Metode van vervaardiging
 Saamsmelt-temperatuur
 Vuurvastheid
 Termiese geleidingsvermoë

Gebaseer op chemiese samestelling

Suur vuurvaste materiale 
Suur vuurvaste materiale is oor die algemeen ondeurdringbaar vir suur materiale, maar word maklik deur basiese materiale aangeval, en word dus saam met suur slak in suur omgewings gebruik. Dit sluit materiale soos silika-, alumina- en vuurklei- stene in. Belangrike reagense wat beide alumina en silika kan aanval, is hidrofluoorsuur, fosforsuur en gefluoreerde gasse (bv. HF, F2). By hoë temperature kan suur vuurvaste materiale ook met kalk en basiese oksiede reageer.

 Silika vuurvaste materiale is vuurvaste materiale wat meer as 93% silikonoksied (SiO2) bevat. Hulle is suur, het hoë weerstand teen termiese skok, vloeimiddel- en slakweerstand, en hoë afsplytbestandheid. Silikastene word dikwels in die yster- en staalbedryf as oondmateriaal gebruik. ’n Belangrike eienskap van silikastene is hul vermoë om hardheid onder hoë vragte te handhaaf tot by die samesmeltpunt. Silika vuurvaste materiale is gewoonlik goedkoper, dus geredelik wegdoenbaar. Nuwe tegnologieë is ontwikkel wat hoër sterkte en langer giettye moontlik maak met minder silikonoksied (90%) wanneer dit met organiese harse gemeng word.
 Sirkonia vuurvaste materiale bestaan hoofsaaklik uit sirkoniumoksied (ZrO2) . Hulle word dikwels vir glasoonde gebruik omdat hulle 'n lae termiese geleidingsvermoë het, nie maklik deur gesmelte glas benat word nie en lae reaktiwiteit met gesmelte glas het. Hierdie vuurvaste materiale is ook nuttig vir toepassings as hoë temperatuur konstruksiemateriale.
 Aluminosilikaat vuurvaste materiale bestaan hoofsaaklik uit alumina (Al2O3) en silika (SiO2). Hulle kan halfsuur, vuurklei saamgesteld, of hoë alumina-inhoud saamgesteld wees.

Basiese vuurvaste materiale 
Basiese vuurvaste materiale word gebruik in gebiede waar die slak en atmosfeer basies is. Hulle is stabiel teen alkaliese materiale, maar kan op sure reageer, wat belangrik is, bv. wanneer fosfor uit ru-yster verwyder word (sien Gilchrist–Thomas-proses). Die belangrikste grondmateriale behoort aan die RO-groep, waarvan magnesia (MgO) 'n algemene voorbeeld is. Ander voorbeelde sluit in dolomiet en chroom-magnesia. Vir die eerste helfte van die twintigste eeu het die staalvervaardigingsproses kunsmatige periklaas (geroosterde magnesiet ) as 'n oondvoeringmateriaal gebruik.

 Magnesiet vuurvaste materiale is saamgestel uit ≥ 85% magnesiumoksied (MgO). Hulle het hoë slakweerstand teen kalk- en ysterryke slakke, sterk skuur- en korrosiebestandheid, en hoë vuurvastheid onder las, en word tipies in metallurgiese oonde gebruik.
 Dolomiet vuurvaste materiaal bestaan hoofsaaklik uit kalsium-magnesiumkarbonaat. Tipies word dolomiet vuurvaste materiale in omsetter- en raffineringsoonde gebruik.
 Magnesia-chroom vuurvaste materiale bestaan hoofsaaklik uit magnesiumoksied (MgO) en chroomoksied (Cr2O3). Hierdie vuurvaste materiale het 'n hoë vuurvastheid en het 'n hoë toleransie vir korrosiewe omgewings.

Neutrale vuurvaste materiale 
Hulle word gebruik in gebiede waar die slak en atmosfeer óf suur óf basies is en chemies stabiel is teenoor beide sure en basisse. Die belangrikste grondmateriale behoort aan, maar is nie beperk tot, die R2O3-groep. Algemene voorbeelde van hierdie materiale is alumina (Al2O3), chromia (Cr2O3) en koolstof.

 Koolstofgrafiet vuurvaste materiaal bestaan hoofsaaklik uit koolstof . Hierdie vuurvaste materiale word dikwels in hoogreduserende  omgewings gebruik, en hul eienskappe van hoë vuurvastheid laat hulle uitstekende termiese stabiliteit en weerstand teen slak toe.
 Chromiet vuurvaste materiale bestaan uit gesinterde magnesia en chromia. Hulle het konstante volume by hoë temperature, hoë vuurvastheid en hoë weerstand teen slak.
 Alumina vuurvaste materiale is saamgestel uit ≥ 50% alumina (Al2O3).

Gebaseer op metode van vervaardiging 

 Droë persproses
 Gesmelte giet
 Hand gevorm
 Gevorm (normaal, gevuur of chemies gebind)
 Ongevorm (monolities-plasties, stamp- en spuitmassa, gietbare materiaal, mortiere, droë vibrerende semente.)
 Ongevormde droë vuurvaste materiale.

Vorm 
Hierdie vuurvaste materiale het standaard groottes en vorms. Hulle kan verder verdeel word in standaardvorms en spesiale vorms. Standaardvorms het afmetings waarmee die meeste vuurvaste materiaalvervaardigers saamstem en is oor die algemeen van toepassing op brandoonde  of oonde van dieselfde tipe. Standaardvorms is gewoonlik bakstene wat 'n standaardafmeting van 229 x 114 x 64 mm het en hierdie afmeting word 'n "een steen-ekwivalent" genoem. "Steen-ekwivalente" word gebruik om te skat hoeveel vuurvaste stene dit neem om 'n installasie in 'n industriële oond te maak. Daar is reekse standaardvorms van verskillende groottes wat vervaardig word om mure, dakke, boë, buise en sirkelvormige openinge, ens te kan bou. Spesiale vorms word spesifiek gemaak vir spesifieke plekke binne-in oonde en vir spesifieke brandoonde of oonde. Spesiale vorms is gewoonlik minder dig en daarom sagter as standaardvorms.

Ongevorm (monolitiese vuurvaste materiale) 
Hierdie tipe is sonder definitiewe vorm en word slegs vorm gegee tydens toepassing. Hulle is beter bekend as monolitiese vuurvaste materiale. Die algemene voorbeelde is plastiekmassas, stampmassas, gietbares, spuitmassas, lapwerk-mengsels, daghas, ens.

Droë vibrasievoerings wat dikwels in induksie-oondvoerings gebruik word, is ook monolities, en word as 'n droë poeier verkoop en vervoer, gewoonlik met 'n magnesia/alumina samestelling met byvoegings van ander chemikalieë om spesifieke eienskappe te verander. Hulle vind ook meer toepassing in hoogoondvoerings, hoewel hierdie gebruik seldsaam is.

Gebaseer op samesmeltingstemperatuur 
Vuurvaste materiale word in drie tipes geklassifiseer gebaseer op samesmeltingstemperatuur (smeltpunt).

 Normale vuurvaste materiale het 'n samesmeltingstemperatuur van 1580 – 1780 °C (bv Vuurklei)
 Hoë vuurvaste materiale het 'n samesmeltingstemperatuur van 1780 – 2000 °C (bv Chromiet)
 Super vuurvaste materiaal het 'n samesmeltingstemperatuur van > 2000 °C (bv Sirkonia)

Gebaseer op vuurvastheid 
Vuurvastheid is die eienskap van 'n vuurvaste materiaal se multifase om 'n spesifieke versagtingsgraad te bereik by hoë temperatuur sonder las, en word gemeet met 'n pirometriese keël-ekwivalent (PCE) toets. Vuurvaste materiale word geklassifiseer as: 

 Superdiens: PCE-waarde van 33–38
 Hoë diens: PCE-waarde van 30–33
 Tussentydse diens : PCE-waarde van 28–30
 Lae diens : PCE-waarde van 19–28

Gebaseer op termiese geleidingsvermoë 
Vuurvaste materiale kan volgens termiese geleidingsvermoë geklassifiseer word as óf geleidend, nie-geleidend of isolerend. Voorbeelde van geleidende vuurvaste materiale is silikonkarbied (SiC) en sirkoniumkarbied (ZrC), terwyl voorbeelde van niegeleidende vuurvaste materiale silika en alumina is. Isolerende vuurvaste materiale sluit kalsiumsilikaatmateriale, kaolien en sirkonia in.

Isolerende vuurvaste materiale word gebruik om die tempo van hitteverlies deur oondmure te verminder. Hierdie vuurvaste materiale het 'n lae termiese geleidingsvermoë as gevolg van 'n hoë mate van porositeit, met 'n verlangde poreuse struktuur van klein, eenvormige porieë wat eweredig deur die vuurvaste steen versprei is om termiese geleiding te minimaliseer. Isolerende vuurvaste materiale kan verder in vier tipes geklassifiseer word:

 Hittebestande isolasiemateriaal met toepassingstemperature ≤ 1100 °C
 Vuurvaste isolasiemateriaal met toepassingstemperature ≤ 1400 °C
 Hoë vuurvaste isolasiemateriaal met toepassingstemperature ≤ 1700 °C
 Ultrahoë vuurvaste isolasiemateriaal met toepassingstemperature ≤ 2000 °C

Vuurvaste verankering 
Alle vuurvaste materiale benodig verankeringstelsels soos draadgevormde ankers, gevormde metaal (byvoorbeeld heksmetaal) of keramiekteëls om die vuurvaste voerings te ondersteun. Die verankering wat vir vuurvaste materiale op dakke en vertikale mure gebruik word, is meer kritiek aangesien hulle in staat moet bly om die gewig van vuurvaste materiale te dra, selfs by  verhoogde temperature en bedryfstoestande.

Die algemeen gebruikte verankerings het sirkelvormige of reghoekige deursnee. Sirkelvormige deursnee word gebruik vir lae dikte vuurvaste materiale en hulle dra minder gewig per eenheid area; terwyl die reghoekige deursnee gebruik word vir hoë dikte vuurvaste materiale  en hoër gewig van vuurvaste materiaal per eenheid area kan ondersteun. Die aantal ankers hang af van bedryfstoestande en die vuurvaste materiale. Die keuse van 'n ankermateriaal, vorm, hoeveelheid en grootte het 'n beduidende impak op die nuttige lewensduur van die vuurvaste materiaal.

Verdeeltrogborde benodig nie metaalankers nie, maar word eerder aanmekaar geplak met 'n spesiale vuurvaste pasta en poeier. Goeie praktyk is om 'n kombinasie van pasta en poeier te gebruik om seker te maak dat die stelsel lekbestand is en bymekaar bly tydens langdurige giete.

Sien ook 

 Vuursteen
 Messeloond
 Vuurvas (metallurgie)

Verwysings 

Metallurgie