Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Термическая стойкость характеризует собой способность огнеупоров сопротивляться разрушающему воздействию резких колебаний температур. При резком нагреве и охлаждении в огнеупоре возникают внутренние напряжения, обычно — сжатия, растяжения и среза, реже изгиба. В результате действия этих напряжений в огнеупоре образуются вначале трещины, а затем сколы и переломы. Одной из главных причин этих напряжений является отсутствие гомогенного и изотропного строения огнеупора и ограниченная возможность огнеупора изменять свои размеры под влиянием температурного фактора. Количество и величина возникающих напряжений, оказывающих влияние на разрыхление тела огнеупора, зависят от упругих свойств и коэффициентов расширения анизотропных фаз и кристаллов, слагающих огнеупор.
Напряжение сдвига возникает также под влиянием неодинаковости температурного градиента в отдельных слоях огнеупора и различия коэффициентов, термического расширения огнеупора в разных интервалах температур. Поэтому чем меньше коэффициент термического расширения огнеупора, чем выше его температуропроводность, тем меньше величина напряжения сдвига, возникающего между слоями огнеупора, и тем выше термостойкость огнеупора.
Коэффициент термического расширения огнеупорных окислов, входящих в состав огнеупоров, колеблется в относительно небольших пределах: от 8,5*10в-6 для Аl2О3 до 13,5*10в-6 для MgO, а у двойных соединении, образованных огнеупорными окислами, он меньше. Некоторые авторы указывают, что коэффициент термического расширения ионных кристаллов тем больше, чем проще структура кристалла и чем меньше силы связи иона в решетке.
Линейные коэффициенты термического расширения для некоторых окислов и их соединений могут быть расположены в следующий ряд (х10в-6):
Дальнейшим усложнением решетки за счет образования твердых растворов можно получить огнеупоры даже с отрицательным коэффициентом термического расширения (термическим сжатием), как это наблюдалось в системе — Аl2О3 — SiO2.
Коэффициент термического расширения огнеупоров не является постоянным в широком интервале температур. Для монокристаллов и поликристаллов, не имеющих полиморфных превращений, установлена закономерность повышения коэффициентов термического расширения с повышением температуры, что вызывается ослаблением сил связи ионов в кристаллической решетке.
Средний коэффициент линейного расширения в интервале температур 30—1000° для огнеупоров имеет следующие значения:
Для динаса, которому свойственны полиморфные превращения, имеется обратное соотношение — с повышением температуры коэффициент термического расширения уменьшается. В интервале температур 200—250° коэффициент линейного расширения динаса равен примерно 5,14*10в-5 а начиная с температуры 600° и выше, в зависимости от удельного веса. коэффициент термического расширения равен 0,49*10в-5 (уд. вес 2,33) и 1,6*10в-5 (уд. вес 2,38), т. е. в три-десять раз меньше. Этим обусловлена возможность резкого охлаждения динасового свода с высоких температур до 600°, без каких-либо разрушений, в то время как в интервале низких температур динас обладает малой термической стойкостью.
В зависимости от материала кладки и температуры, воздействию которой кладка подвергается, при проектировании печи устанавливают количество и размер температурных швов. Средние величины температурных швов на 1 пог. м кладки находятся в следующих пределах, мм.
Как уже указывалось, во многих случаях высокая температуропроводность материала обусловливает высокую термостойкость. Примером может служить карборунд.
Большое значение для термостойкости имеют структура огнеупора, которая в некоторых случаях допускает локальную разрядку напряжений, и состав связки, если она имеет коэффициент линейного расширения такой же, как у основной массы огнеупорного материала. Для термоустойчивости огнеупора имеют значения и условия теплопередачи из внешнего пространства.
Существует ряд методов оценки термостойкости огнеупоров.
Согласно ГОСТу, термическую стойкость огнеупора оценивают по числу теплосмен, которые выдерживает кирпич до потери им 20 % своего первоначального веса за счет откалывающихся частей. Кирпич нормальных размеров быстро нагревают с торцовой поверхности в электрической печи до 1300—1350° и затем охлаждают в проточной воде. Термическая стойкость огнеупоров, оцененная в водяных теплосменах, представлена в табл. 4.
Существует и так называемый панельный метод, при котором кирпичи закладывают в подвижную раму, являющуюся стеной печи, нагреваемой до 1500—1600° с последующим охлаждением с помощью вентилятора. После ряда таких повторных нагревов и охлаждений термическую стойкость оценивают по потере кирпичами первоначального веса.
Ряд методов предусматривает условия испытаний, приближающиеся к условиям службы огнеупора. В последнее время в качестве мерила для количественной оценки термостойкости огнеупоров предлагается разность температур, вызывающая напряжения, равные пределу прочности при растяжении или сдвиге огнеупора.