» » Строительная прочность огнеупорных материалов
02.06.2015

Строительную прочность огнеупорных материалов характеризуют рядом показателей: пределом прочности при сжатии, растяжении, изгибе: и кручении и упругими свойствами материала — модулем упругости на растяжение, модулем упругости на срез (сдвиг).
Предел прочности при сжатии образца, высеченного из угла испытуемого кирпича, измеряют минимальной нагрузкой, приводящей к его разрушению. Предел прочности при сжатии, устанавливаемый в дифференцированных стандартах на огнеупоры, достигается при соблюдении в производстве нормативов технологического процесса и, в частности, завершения процесса обжига изделий и получения вполне спеченного и перекристаллизованного черепка однородного строения. Значение предела прочности при сжатии косвенно характеризует и другие необходимые механические свойства огнеупорных изделий, как, например, сопротивление ударам и истирающему действию шихты.
Строительная прочность огнеупоров, как правило, при повышении температуры падает. Поэтому весьма важным для характеристики строительной стойкости является способность огнеупоров сохранять в границах рабочих температур (в определенных пределах) прочность при сжатии. Это свойство огнеупоров определяют на специально сконструированном приборе, состоящем из электрической платиновой печи, высокоогнеупорных, особопрочных нагрузочных стержней из спекшегося глинозема и приспособления для подачи печи с испытуемым образцом год гидравлический пресс. Для испытания огнеупора изготовляют цилиндры с гладко пришлифованными нижней и верхней плоскостями.
Установлено, что прочность огнеупора одного и того же вида и конфигурации при сжатии колеблется в зависимости от температуры в широких пределах и значительно падает после перехода через определенную границу. Ввиду сложности установления предела прочности при сжатии в условиях переменных нагрузок определяют деформацию при высоких температурах и постоянной нагрузке путем сжатия цилиндрических образцов стандартных размеров (H=50 мм; d=36 мм), помещенных в криптоловую печь. Эту операцию проводят обычно под нагрузкой 2 кг/см2 при непрерывном подъеме температуры.
Строительная прочность огнеупорных материалов

На основе результатов наблюдений вычерчивают диаграмму температура — деформация. Температуру в градусах откладывают по оси абсцисс (1 см соответствует 50°), величину деформации — по оси ординат, увеличив ее в десять раз. Точки на диаграмме, расположенные на 3, 20 и 200 мм ниже наивысшего положения этой кривой, соответствуют началу деформации 4 и 40% сжатия образца.
Кривая деформации шамотных изделий (рисунок) характерна плавным перегибом после начала деформации и большим интервалом между температурами начала деформации и 40% сжатия (150—300°). Деформация динаса характеризуется круто падающей книзу кривой и незначительным интервалом (10—15°) между началом деформации и разрушением. Промежуточный полупластический характер имеет кривая деформации магнезитового кирпича.
Различный характер деформации под нагрузкой объясняется разным количеством и качеством жидкой фазы, положением жидкой фазы относительно твердом и их взаимодействием. В шамотных огнеупорах стекловидная фаза расположена между зернами шамота и цементирует их. При нагреве стекловидная фаза переходит в жидкое состояние, и вязкость ее, после достижения определенной температуры, начинает возрастать вследствие растворения жидкостью зерен шамота, содержащих кремнезем и глинозем. Увеличение вязкости делает постепенным нарастание деформации шамотных изделий, находящихся под нагрузкой и влиянием высоких температур.
В динасе зерна тридимита и кристобалита связаны тридимитовым кристаллическим сростком, который размещен в жидкой фазе, кристаллизуется из нее и не растворим в ней до температуры 1470°. При нагреве до температуры плавления тридимита (1670°) количество силикатного расплава увеличивается совершенно незначительно и резкая потеря прочности — разрушение динасового образца — происходит при температуре плавления тридимитового сростка. Поэтому кривая деформации круто падает при приближении к температуре плавления.
В магнезиальных изделиях связкой служит неогнеупорный монтичеллит, форстеритовый твердый раствор, вязкость которого с повышением температур понижается, тогда как зерна периклаза в жидкой фазе нерастворимы. В последние годы освоено производство магнезито-хромитового кирпича на шпинельной связке (марка ПШ).
Благодаря высокой температуре деформации динас находит себе широкое применение для устройства сводов отражательных печей, несмотря на агрессивное воздействие основной по своему характеру шихты. В силу невысокой температуры деформации хромомагнезитовые кирпичи в сводовой конструкции отражательных печей подвешивают по-одному или секционно.
Пределы прочности при растяжении и изгибе в стандартах на огнеупоры не нормируются. Не существует стандартных методов их определения, хотя эти напряжения имеют место в определенных условиях службы огнеупоров.
При чистом изгибе на выпуклой поверхности возникают напряжения растяжения, а на вогнутой — напряжения сжатия. Указанные напряжения измеряются отношением изгибающего момента пары сил к моменту сопротивления сечения. Для керамических материалов прочность при изгибе бывает приблизительно в два-три раза меньше, а прочность при растяжении составляет 1/5—1/10 предела прочности при сжатии, а для отдельных случаев даже 1/15 этой величины.
Упругие свойства огнеупорных изделий (модуль упругости при растяжении или сжатии є и сдвиге G определяют методом сжатия и кручения или звуковым (динамическим, акустическим) методом. Модуль сдвига при постоянно возрастающих нагрузках, соответствующих напряжениям от 5.6 до 16.8 кг/см2, может быть определен методом кручения на специально сконструированном для этой цели и усовершенствованном в 1955 г. приборе.
Сущность звукового метода заключается в том, что в образце возбуждаются механические колебания и определяется собственная частота колебаний образца. По весу образца, его размерам и частоте собственных колебаний рассчитывают модуль упругости. Частоту колебаний определяют на приборе электротехнического института им. В.И. Ульянова (Ленина).
При нормальных температурах или при нагреве до высоких температур, но не до появления в значительных количествах жидкой фазы, огнеупоры являются хрупкими телами, поэтому модули упругости могут быть вычислены по известным формулам сопротивления материалов.
Для керамических материалов зависимость между модулями, по опытным данным, имеет следующее приближенное значение: G= 5/13 ε. При повышении модуля упругости термостойкость огнеупора падает.
Константы, характеризующие упругость и определенные звуковым методом, приведены в табл. 3.
При резком нагреве огнеупоров наиболее сильное разрушающее действие оказывает напряжение сдвига (среза), при резком охлаждении — растягивающее напряжение в теле огнеупора, а на углах и ребрах — напряжение среза. Поэтому для высокой стойкости огнеупора в своде, будь то динас, который подвержен полиморфным пр вращениям, магнезито-хромитовый или магнезитовый кирпич, необходим медленный, постепенный разогрев свода.
Строительная прочность огнеупорных материалов