أربعة مؤشرات تحدد أداء المواد المقاومة للحرارة العالية

أثناء استخدام المواد المقاومة للحرارة، تتعرض هذه المواد بسهولة للانصهار والتليين بفعل العوامل الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية وغيرها عند درجات حرارة عالية (عادةً من 1000 إلى 1800 درجة مئوية)، أو للتآكل، أو للتشقق والتلف، مما يعيق التشغيل. لذا، من الضروري أن تتمتع المواد المقاومة للحرارة بخصائص تُمكّنها من التكيف مع مختلف ظروف التشغيل. فيما يلي أربعة مؤشرات تُحدد أداء هذه المواد عند درجات الحرارة العالية:

(1) مقاوم للحرارة

تشير خاصية مقاومة الحرارة إلى درجة الحرارة التي تصل عندها المادة إلى درجة معينة من التليين تحت تأثير درجات الحرارة العالية، وهي تُحدد أداء المادة في مواجهة هذه الدرجات. تُعدّ مقاومة الحرارة أساسًا لتحديد ما إذا كان يُمكن استخدام مادة ما كمادة حرارية. تنص المنظمة الدولية للمواصفات القياسية على أن المواد غير العضوية غير المعدنية التي تزيد مقاومتها للحرارة عن 1500 درجة مئوية تُعتبر مواد حرارية. وتختلف هذه الخاصية عن نقطة انصهار المادة، وهي تعبير شامل عن خليط من مواد صلبة متعددة الأطوار تتكون من معادن مختلفة.

يُعدّ التركيب الكيميائي المعدني وتوزيعه العاملَ الأساسي الذي يُحدّد مقاومة المادة للحرارة. وتُؤدّي مُختلف مُكوّنات الشوائب، ولا سيّما تلك التي لها تأثيرات مُذيبة قوية، إلى تقليل مقاومة المادة للحرارة بشكلٍ كبير. لذا، ينبغي مراعاة التدابير المُناسبة في عملية الإنتاج لضمان نقاء المواد الخام وتحسينه.

لا تُعدّ مقاومة الحرارة كميةً فيزيائيةً مطلقةً خاصةً بمادةٍ ما، بل هي مؤشرٌ تقنيٌ نسبيٌّ يُشير إلى وصول المادة إلى درجة تليينٍ مُحدَّدةٍ تُقاس في ظل ظروف اختبارٍ مُحدَّدة. تُصنع مادة الاختبار على شكل مخروطٍ مثلثيٍّ ناقصٍ (يُشار إليه بمخروط الاختبار) وفقًا للطريقة المُحدَّدة، ومخروطٍ مثلثيٍّ ناقصٍ قياسيٍّ (يُشار إليه بالمخروط القياسي) عند درجة حرارة انحناءٍ ثابتةٍ وبمعدل تسخينٍ مُحدَّد. تُحدَّد مقاومة الحرارة بمقارنة درجة انحناء مخروط الاختبار بدرجة انحناء المخروط القياسي. يبلغ طول كل ضلعٍ من أضلاع القاعدة السفلية للمخروط المثلثي الناقص 8 مم، وطول كل ضلعٍ من أضلاع القاعدة العلوية 2 مم، وارتفاعه 30 مم. أثناء القياس، قد يظهر طورٌ سائلٌ في المخروط عند درجة حرارةٍ عالية. مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد كمية الطور السائل، وتقل لزوجته، ويلين المخروط. عندما يصل التليين إلى مستوى معين، ينحني المخروط تدريجيًا بفعل وزنه. عند ثني مخروط الاختبار والمخروط القياسي في الوقت نفسه حتى تلامس قمتهما الهيكل، تُعتبر درجة حرارة الانحناء المحددة للمخروط القياسي هي درجة حرارة الانصهار لمخروط الاختبار.

تُعرف أيضًا باسم درجة تليين المواد الحرارية تحت الحمل أو درجة حرارة تشوهها تحت الحمل، وهي تشير إلى مقاومة المادة الحرارية للتأثير المشترك للحرارة العالية والحمل تحت حمل ثابت، أو نطاق درجة الحرارة الذي تُظهر فيه المادة الحرارية تشوهًا لدنيًا واضحًا. ويمكن استنتاج أقصى درجة حرارة تشغيل للمادة الحرارية من درجة تليينها تحت الحمل. وتمثل درجة تليين المادة الحرارية تحت الحمل قوة بنيتها في ظل ظروف استخدام مماثلة، ويمكن استخدامها كأساس لتحديد أقصى درجة حرارة تشغيل لها.

يُعدّ التركيب الكيميائي المعدني للمادة العامل الرئيسي المُحدد لدرجة حرارة التليين تحت الحمل، وهو يرتبط ارتباطًا مباشرًا بعملية إنتاجها. وتؤثر درجة حرارة التلبيد تأثيرًا كبيرًا على درجة حرارة التليين تحت الحمل. فعند رفع درجة حرارة التلبيد بشكل مناسب، ترتفع درجة حرارة بدء التشوه نتيجةً لانخفاض المسامية، ونمو البلورات، وتحسن الترابط. كما أن تحسين نقاء المواد الخام وتقليل محتوى المواد منخفضة الانصهار أو المذيبات يُسهم في رفع درجة حرارة التليين تحت الحمل. فعلى سبيل المثال، يُعدّ كل من أكسيد الصوديوم في الطوب الطيني والألومينا في الطوب السيليسي من الأكاسيد الضارة.

(3) استقرار حجم المواد المقاومة للحرارة عند درجات الحرارة العالية

تحت تأثير درجات الحرارة العالية لفترة طويلة، يحدث تمدد حجمي في المواد الحرارية، يُعرف بالتمدد المتبقي. ويعكس حجم هذا التمدد (التشوه) مدى استقرار حجم المادة الحرارية عند درجات الحرارة العالية. فكلما قلّ التشوه المتبقي، كان استقرار الحجم أفضل؛ وعلى العكس، كلما قلّ استقرار الحجم، زادت احتمالية حدوث تشوه أو تلف في البناء.

غالباً ما يُستخدم تغيير خط إعادة الاحتراق للحكم على استقرار حجم المادة عند درجات الحرارة العالية، وهو مؤشر مهم لتقييم جودة المادة.

تنكمش معظم المواد الحرارية تحت تأثير درجات الحرارة العالية. وأثناء إعادة التسخين، تنكمش معظم هذه المواد، ويعود ذلك أساسًا إلى أن الطور السائل الناتج عن المادة عند درجات الحرارة العالية يملأ المسام، مما يزيد من تماسك الجزيئات وشدها. وفي الآونة الأخيرة، حدثت عملية إعادة التبلور، مما أدى إلى زيادة كثافة المادة. وهناك أيضًا بعض المواد التي تتمدد أثناء إعادة التسخين. على سبيل المثال، يتمدد طوب السيليكا نتيجة للتحول متعدد البلورات أثناء الاستخدام. ويعود ذلك إلى أن الكوارتز غير المتحول في طوب السيليكا يستمر في التحول إلى ترايديميت أو بلورات مربعة عند درجات الحرارة العالية. ويبلغ حجم الكوارتز المتمدد حوالي 10% من حجم طوب السيليكا. وللحد من انكماش وتمدد المادة أثناء إعادة التسخين، من المفيد زيادة درجة حرارة التسخين بشكل مناسب وإطالة مدة التسخين، ولكن يجب ألا تكون مرتفعة جدًا، وإلا سيؤدي ذلك إلى تزجج بنية المادة وتقليل مقاومتها للصدمات الحرارية. بسبب تمدد جزيئات الكوارتز في المادة أثناء الحرق والاستخدام، مما يعوض انكماش الطين، فإن التغير في حجم الطوب شبه السيليكا يكون صغيرًا، وبعضها يتمدد قليلاً.

(4) استقرار الصدمة الحرارية

تُعرف قدرة المواد الحرارية على مقاومة التغيرات السريعة في درجات الحرارة دون أن تتلف باسم استقرار الصدمة الحرارية. وتُعرف هذه الخاصية أيضاً باسم مقاومة الصدمة الحرارية.

يُعدّ العامل الرئيسي المؤثر على مؤشر استقرار المادة ضد الصدمات الحرارية هو خصائصها الفيزيائية، مثل التمدد الحراري والتوصيل الحراري وغيرها. وبشكل عام، كلما زاد معدل التمدد الخطي للمادة، قلّ استقرارها ضد الصدمات الحرارية؛ وكلما زاد التوصيل الحراري للمادة، تحسّن استقرارها ضد الصدمات الحرارية. إضافةً إلى ذلك، يؤثر كلٌّ من البنية المجهرية وتركيب الجسيمات وشكل المادة الحرارية على استقرارها ضد الصدمات الحرارية.