Tulekindel materjal

Tulekindel materjal on materjal, mis säilitab oma tugevuse kõrgetel temperatuuridel.

ASTM C71 määratleb tulekindlad materjalid kui "mittemetallist materjalid, millel on need keemilised ja füüsikalised omadused, mis muutuvad konstruktsioonideks või süsteemide komponentideks, keskkonnas üle 538 °C".

Tulekindlaid materjale kasutatakse koduahjudes, põletusahjudes ja reaktorites. Neid kasutatakse samuti valuvormide valmistamisel klaasi- ja metallitööstuses ning raketikütuste süsteemides. Praegu kasutab terasetööstus umbes 70% kõigist toodetud tulekindlatest materjalidest.

Tulekindlad materjalid
Tulekindlad materjalid peavad olema kõrgel temperatuuril keemiliselt ja füüsikaliselt stabiilsed. Sõltuvalt töökeskkonnast, peavad need olema termilise šoki suhtes vastupidavad, olema keemiliselt inertsed ja/või neil peab olema väga väike soojusjuhtivus ja soojuspaisumistegur.

Alumiiniumoksiid, ränidioksiid ja magneesiumoksiid on kõige olulisemad ühendid, mida kasutatakse tulekindlate materjalide tootmisel. Veel üks oksiid, mida leidub tavaliselt tulekindlates materjalides, on kaltsiumoksiid. Samuti kasutatakse tulekindlate materjalide valmistamisel sageli savi.

Tulekindlaid materjale tuleb valida vastavalt nende kasutusele. Mõned rakendused vajavad spetsiaalseid tulekindlaid materjale. Tsirkooniumi kasutatakse siis, kui materjal peab taluma väga kõrgeid temperatuure. Ränikarbiidi ja süsinikku (grafiiti) kasutatakse tulekindlates materjalides, mis peavad vastu väga kõrgetele temperatuuridele, kuid neid ei saa kasutada kokkupuutel hapnikuga, kuna nad oksüdeeruvad ja põlevad. Binaarsed ühendid nagu volframkarbiid või boornitriid võivad olla väga tuleohtlikud. Hafniumkarbiid on teadaolevalt kõige kuumuskindlam binaarne ühend, mille sulamistemperatuur on 3890 °C. Tantaalhafniumkarbiidil on kõigist teadaolevatest ühenditest kõrgeim sulamistemperatuur (4215 °C).

Tulekindlate materjalide klassifitseerimine
Tulekindlaid materjale võib klassifitseerida keemilise koostise, tootmismeetodi, füüsilise vormi või nende rakenduste põhjal termotuumasünteesi järgi.

Keemilise koostise põhjal kvalifitseerimine

Happelised tulekindlad materjalid 
Happelised tooted koosnevad peamiselt happelistest materjalidest, nagu alumiiniumoksiid (Al2O3) ja ränidioksiid (SiO2). Neid üldjuhul ei mõjuta happelised keskkonnad, kuid aluselised keskkonnad mõjutavad neid kergesti. Need sisaldavad selliseid aineid nagu ränidioksiid, alumiiniumoksiid ja tulesavi. Tuntud reaktiivid, mis võivad rünnata nii alumiiniumoksiidi kui ka ränidioksiidi, on vesinikfluoriidhape, fosforhape ja fluoritud gaasid (nt HF, F2). Kõrgel temperatuuril võivad happelised tulekindlad materjalid reageerida ka lubja ja aluseliste oksiididega.

Neutraalsed tulekindlad materjalid 
Neid kasutatakse piirkondades, kus toodang ja atmosfäär on kas happelised või aluselised ning keemiliselt stabiilsed nii hapete kui ka aluste suhtes. Peamised toormaterjalid kuuluvad R2O3 rühma, kuid ei piirdu sellega. Nende materjalide tavalised näited on alumiiniumoksiid (Al2O3), kroom (Cr2O3) ja süsinik.

Aluselised tulekindlad materjalid 
Neid kasutatakse piirkondades, kus toodang ja atmosfäär on aluselised; need on leeliseliste ainete suhtes stabiilsed, kuid võivad reageerida hapetega. Peamised toormaterjalid kuuluvad RO gruppi, mille puhul on väga tuntud näide magneesiumoksiidist (MgO). Teiste näidete hulka kuuluvad dolomiit ja kroommagneesium. Kahekümnenda sajandi esimesel poolel kasutati terase valmistamise protsessis ahju vooderdamiseks kunstlikku periklaasi (röstitud magnesiiti).

Jaotus tootmismeetodil
1. Kuiv pressprotsess

2. Sulatatud ja valatud

3. Käsitsi vormitud

4. Moodustunud (tavaline, vallandatud või keemiliselt seotud)

5. Vormindamata (monoliit-plastist, rammimismass, lauaplaadid, mört, kuiv vibreerivad tsemendid).

6. Vormitud kuivalt tulekindlad materjalid.

Jaotus kuju järgi 
Need on kas standardsuurusega või kujundatud. Standardkujul on mõõtmed, mida vastavad enamikule tulekindlatele tootjatele ja mida saab üldjuhul kasutada sama tüüpi põletusahjude või ahjude jaoks. Standardsed kujundid on tavaliselt tuletõkised, mille standardmõõt on 9 x 4-1 / 2 x 2-1 / 2 tolli ja seda mõõdet nimetatakse "ühe tellise ekvivalendiks". "Tellisekvivalendi" kasutatakse selleks, et hinnata, kui palju telliseid läheb tööstuslikku ahju peale. Spetsiaalsed kujud on spetsiaalselt valmistatud spetsiaalsete põletusahjude jaoks. Kivist tulekindlate materjalide kujundustehnoloogia on palju muutunud viimastel aastatel. Kuna vooderdiste parema toimimise ja madalamate hoolduskulude osas nõuded pidevalt kasvavad, kasutajad teinud kindlaks, et nende eesmärkide saavutamiseks on üks tõhus viis on integreerida tulekindlad täitematerjalid oma vooderdussüsteemidesse. Peaaegu kõikides tööstusharudes – naftakeemia, terase, elektrienergia tootmine, metallide valamine ja töötlemine, puittooted, mineraalide töötlemine ja muud – täiustatud kujundite rakendused on piiratud ainult kujutlusvõimega ja peaaegu alati nende kasutamine toob kaasa parema jõudluse ja madalamad hoolduskulud. Järgmises loos käsitletakse täiustatud vooderdiste kuju projekteerimist, tootmist ning materjalide omaduste ja paigalduse logistika võimalusi.

Tootmiseelne disain ja tootmine 
Edukas toodete disainimine eeldab, et projekteerijatel on põhjalikud teadmised selle kohta, kuidas seadet kasutatakse ja kuidas toimub vooderduse paigaldus kohapeal. Kvaliteetse tulekindlate vooderduste edukas projekteerimine ja tootmine eeldab tulekindlate materjalide, tootmistehnika, ankurdussüsteemide ja ehituspraktika teadmist. Mõõtmete tolerantsid, ehitustegevuse järjestus, tõste- ja käitlemisvõimalused objektil, ankurdusrajatised ja tegelikud tulekindla vooderduse keskkonna teenindusvajadused on kõik tegurid, mis peavad enne projekteerimist olema hästi teada.
Erikujuliste toodete valmistamiseks on vaja kuju moodustamiseks vormi või mustrit. Tavaliselt kasutatakse mitmeid valuvormide valmistamise meetodeid ning vormi konstruktsioone ja materjalid sõltuvad kuju suurusest, keerukusest ja mõõtmete tolerantsidest ning mõnikord ka kujundite hulgast. Laiad mõõdulaiuse (+/- 1/16 ") lihtsad kujundid võivad kasutada vineeri või metallvorme. Muu kujuga võivad kaasneda suurt eeltööd, mis nõuavad keerukamaid vorme mis valmistatud puidust, plastist või metallist. Vooderduse eelkujundamisel veel vaja arvestada ajakavaga ja tööde järjestamisega. Kujukujundus peab arvestama tööalase ligipääsetavusega, millised teised vooderduse komponendid on kujundite paigaldamisel juba olemas ja kuidas kuju saab töökohal füüsiliselt töödelda. Kaalu- ja tõstepiiranguid tuleb arvestada ja planeerida, samuti ahju või mahuti juurde kuuluva juurdepääsu liiki. 
Vooderdusel kasutatud ankurdussüsteemi ülesehitus on oluline. Lisaks antud müüritise ankrusüsteemi, projekteerimisel vaja arvestada ka eelnevad konstruktsiooni kinnitused ja kaalud. Kinnitamiseks võib kasutada mitmeid meetodeid nagu näiteks seinale kinnituse, keevisõmbluste või poltidega ühendatud keermestatud kinnitusdetailidega.
Kõige olulisem on ikka see, et sobivad tulekindlad materjalid tuleb valida vastavalt vajadusele. Enne materjali valimist, tuleb mõista selliseid tegureid nagu vooderduse keskkonna temperatuuriprofiili, oodatavad mehaanilised pinged, voodrile keemilise mõju, erosiooni mehhanismid ja laiendusvõimalused.
Heal tasemel tootmisüksus peaks sisaldama hea energia varustuse, suure võimsusega segumasinad, automaatsed materjalide kohaletoimetamise konveierid, vibratsiooniplatvormid, digitaalselt kontrollitud vee lisamine, segamise ajakontrollerid ja suurte vormide valmistamiseks piisavad tõstmispinnad. Vormide põletamine toimub digitaalselt juhitavas ahjus, mille põletid on võimelised põletama vähemalt 1300 kraadi juures F. Samuti peaks olema mustrite valmistamise võimekus ja AutoCAD-projekteerimisega seotud jooniseid.

Materjali efektiivne kasutamine 
Sõltumata sellest, kui keeruline on projekt, võib materjali füüsikalisi omadusi oluliselt halvendada, kui segamise, valamise ja kuivatamise protsessi ajal ei hoolita reeglitest. Eriti keerukamate vooderduse lahtrite kasutamine spetsiifiliste kulumisprobleemide lahendamiseks muudab paigaldusmuutujad veelgi kriitilisemaks voodri jõudluse. Kahjuks on vooderdise kvaliteet sageli mõjutatud välitingimuste tõttu paigalduse ajal. Projekti ajakava, meeskonna võimekuse tase, materjali kättesaadavus, töökulude surve või muud põhjused võivad mõnikord mõjutada nõuetekohast tulekindla vooderduse paigaldust. Vale vee lisamine, segamise vibratsiooni pikkus, üle- ja alakoormatus ning sobimatu kuivatamine võivad oluliselt mõjutada paigalduse kvaliteeti. Valatud vormid, mis toodetud seeriatootmises, saab materjali füüsikalisi omadusi paremini optimeerida.
Tulekindla materjali segu esmane kuivatamine ja kuumutamine on kriitiline paigaldusmuutuja, mis võib mõjutada vooderduse kvaliteeti. Vormid paigutatakse digitaalselt juhitavasse ahju, kus hoolikalt jälgitakse tulekindlate materjalide valmistamise küpsetusplaani. Vormid töödeldakse aeglaselt kõikidest külgedest, automaatika abil eemaldatakse niiskuse vormi terves paksuses. Sõltuvalt temperatuurist, mille jaoks vorm on valatud, saab sellega optimeerida materjali füüsikalisi omadusi läbi kogu vormi paksuse, mitte ainult pinna peal. Selle tulemuseks on tõeliselt homogeenne vooder.

Eelised paigaldamise logistikast 
Muud tulekindlate vormide peamised eelised on seotud lihtsustatud paigaldus- ja remonditöödega, mis võib vähendada kulusid ja kliendi toodangu langust. Sobivate vormide kasutamine vähendab kulu lõhkumistele, materjalidele, seadmetele, tegelikule paigaldamisele ja kulud kuivatamisele. See kulude kokkuhoid läheb vormide tootjale, kes suudab neid ressursse palju efektiivselt ära kasutada, laiendades vormide kasutamist ka mujal tootmises.
Tulekindla vooderduse paigaldamise töövõtjad on hakanud kaaluma väga palju eeltoodetud vormide kasutamist, sama nagu nad kasutavad mis tahes muu eelnevalt valmistatud esemetega, nagu isolatsiooni plokk, keraamiliste kiudude tekk, ankrud jne. Neid esemeid saab osta ja seejärel müüa nende komponentide paigaldusprojektidele. Kui tulekindlaid remonditöid saab osaliselt alustada enne meeskondade toimetamist kohapeal, siis kulud vähenevad automaatselt. Paigaldusettevõtjad on samuti leidnud, et kokkupandud vormide kasutamine võib sageli anda konkurentsieelise.
Valatud valmis vormide kasutamisel saab paigaldusmeeskonna suurust vähendada. Paigalduse kiirusest on mõlema jaoks nii paigaldajale kui ka omanikule ilmselgelt kasulik, sest lühema tööaja kestuse tõttu on kulud väiksemad. Materjali kasutus on vähenenud ka võrreldes teiste paigaldusmeetoditega, nagu näiteks pritsimine-valamine, kus 45% täiendavast materjalist läheb kadudeks ja vigade parandamise peale. Samuti on väiksemad keskkonna riskid vähema tolmu ja väiksemate seadmete kasutamise näol. Edasine remont muutub ka palju säästlikumaks ja kiiremaks. Remondi alasid saab eraldada ainult vahetult kulumispiirkonna piirides. Ankru kinnitusi saab tavaliselt korduvkasutada. Kohapeal saab hoida vajalikud varuvormi ja muud varuosad, mida vajadusel hõlpsasti vahetada. Uue tulekindla vooderdise kohapealne valmistamine võib olla väga kallis ja aeganõudev kogu remondiprojekti jaoks. Eelvalmistatud tulekindlade vormide kasutamine võib vähendada või üldse elimineerida kohapealse vooderduse kuumutuse.

Tüüpilised eelvalmistatud vormide variandid 
• Põletiplokid
• Põleti torud
• Pehmenduspadjad
• Põletitoestused
• Süvendid
• Seinapaneelid
• Jaotusseinad
• Piirded ja tõkked
• Suitsutorud
• Lõpukorgid
• Katuse sektsioonid
• Ohutusvooderdus
• Manöövri pistikud
• Õhuvõrgu plaadid
• Pihustid
• Suitsuseinad
• Heitgaaside ruumid
• Varrukad
Tulekindlate vooderduse eelvormide valmistamine on lähiaastatel kasvava trendiga. Läbi kontrollitud tootmise tõstetaks kõikide vooderduste toodete kvaliteeti ja läbi selle laiendatakse kasutamise piirkondi kõikides tööstusharudes.

Monoliitsete tulekindlate materjalide tüübid

Tulekindlad materjalid 
Need materjalid koosnevad täpselt sorteeritud jämedatest ja peenest tulekindla materjali teradest. Kõige levinum sideaine on HAC (kõrge alumiiniumoksiidi tsement). Teised sideained, mida kasutatakse tihti, sisaldavad hüdraaditavaid alumiiniume ja kolloidset ränidioksiidi. Vooderduse paigaldamiseks segatakse materjal veega ja paigaldatakse kas valamise või pumpamise teel. Materjali paigutamine nõuab seejärel vibratsiooni.
Tsemendimaterjalid liigitatakse sageli selle sisalduse järgi. Tavapärased segud võivad sisaldada umbes 15–30% tsemendi sideainet. Tulekindlate tehnoloogiate väljatöötamisel lisatakse segusse keemilised lisandid, et vähendada tsemendi ja vee kogust, mida toode vajab ja selle mõjul segu oluliselt parandab tugevust ja vastupidavust. Väikese tsemendisisaldusega segud on umbes 3–10% massist tsementi. Väga väikese tsemendisisaldusega segud on vähem kui 3% tsemendist.

Plastikust tulekindlad materjalid 
Need on monoliitsed tulekindlad materjalid, mis segatakse veega või lisatakse sideainet. Neil on piisavalt plastilisust, et neid pillatakse ja segatakse kohapeal.

Rambamise tulekindlad materjalid 
Need materjalid sarnanevad väga plastist tulekindlate materjalidega, kuid need on palju jäigemad segud.

Värvitu tulekindlad materjalid 
Need materjalid sarnanevad plastist tulekindlate materjalidega, kuid neil on pehme plastiilisus, nii et neid saab oma kohale asetada.

Tulekindlad mördid
Mördid koosnevad peenestatud tulekindlast materjalist, mis on segatud veega pasta valmistamiseks. Neid kasutatakse liimimiseks ja niiskusjälgitavate tulekindlate toodete, näiteks telliste, liimimiseks. Tavaliselt kasutatakse neid segamise laiali määrimise teel.

Isolatsioonimaterjalid
Isolatsioonimaterjalid on spetsiaalsed monoliitsed tulekindlad materjalid, mida kasutatakse külmade rakenduste puhul. Need on valmistatud kergete agregaatmaterjalidest, nagu näiteks vermikuliit, perliit, laiend-o-sfäärid, mullide alumiiniumoksiid ja kivimaterjal. Nende peamine ülesanne on soojusisolatsioon. Need on tavaliselt väikese tihedusega ja väikese soojusjuhtivusega. Isolatsioonivastased tulekindlad materjalid on mehaanilise tugevusega võrreldes tavapäraste vooderdustega.

Tulekindlad tellised
Tulekindel tellis, vooderduse tellis või müüritise tellis on tulekindlast keraamilisest materjalist plokid, mida kasutatakse ahjude, põletusahjude, küttekehade ja kaminate vooderdamisel. Tulekindel telliskivi on ehitatud peamiselt kõrgtemperatuuri keskkonna jaoks, kuid ka suurema energiatõhususe tagamiseks, sest sellel tavaliselt on ka väike soojusjuhtivus. Tavalisi tihedaid tuletõkkeid kasutatakse äärmuslikel mehaaniliste-, keemilistel- või termiliste pingete korra, näiteks puidu põletusahjuahjus, mis puutub ja hõõrdub puiduga, tuhaga või muu põletusjäägiga kõrgel temperatuuril. Teistes vähem karmimates olukordades, näiteks elektri- või maagaasiküttel töötavas põletusahjus, on parem valida poorsemad tellised, mida tavaliselt nimetatakse "ahjukivideks". Need on nõrgemad, kuid need on palju kergemad, lihtsamad ja paremad isolatsiooniks kui tihedad tellised.

Tootmine 
Tulekindlate telliste valmistamisel põletatakse, kuni see on osaliselt klaasistatud ja eriliseks otstarbeks ka glasuuritakse. Tellistel on kaks standardtähist; üks on 229 × 114 × 76 mm ja teine on 229 × 114 × 64 mm. Saadaval on ka telliste "jaotused", mis on poole paksusega ja mida kasutatakse tihti puitkütteseadmetes ja kaminasüdamikes ühendustes. Jaotuse mõõtmed on tavaliselt (229 × 114 × 32 mm).

Koostis 
Tulekindlatel tellistest on alumiiniumoksiidi sisaldus, mis võib olla kuni 50–80% (vastavalt väiksema ränidioksiidiga).

Kõrgtemperatuuri rakendused 
Räni kivisüttesse kasutatakse terasetootmise ahju temperatuuril kuni 1648 °C (3000 °F), mis sulatab paljusid teisi keraamilisi liike ja tegelikult osa ränidioksiidist tuletõkkevedelikke. [Soovituslik] kõrgetemperatuuriline Kosmoselaeva isolatsioonplaatidel kasutati sama koostisega materjali korduvkasutatavat pinnaosastust (HRSI). 
Värviliste metallurgiaprotsessides kasutatakse põhilisi tulekindlaid telliseid, kuna nendes protsessides kasutatavad räbud hõlpsalt lahustavad happelisi ränidioksiidi telliseid. Kõige levinumad tulekindlad tellised, mida kasutatakse värviliste metallide kontsentraatide sulatamisel, on "kroom-magneesiidi" või "magneesiidi-kroomi" tellised (olenevalt nende valmistamisel kasutatud magneesiidi ja kroomi maakide suhtelisest suhest).

Materjalid madalamate temperatuuride jaoks 
Madalama temperatuuri rakenduste puhul kasutatakse tuletõketena mitmesuguseid muid materjale. Seal on sageli kasutusel voodrina magneesiumoksiidi segu. Ränidioksiidist tellised on kõige sagedamini kasutatavad sellistes põletusahjudes. Ränikarbiidi materjal, millel on suur abrasiivne tugevus, on populaarne krematooriumides. Tavalist punast savi tellist kasutatakse korstnates ja puidupõletusahjudes.

Viited