» » Термическая стойкость огнеупорных материалов
02.06.2015

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):
Термическая стойкость огнеупорных материалов

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:
Термическая стойкость огнеупорных материалов

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.
Термическая стойкость огнеупорных материалов

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.
Термическая стойкость огнеупорных материалов

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.