Durante l'utilizzo, i materiali refrattari tendono a fondersi e ad ammorbidirsi a causa di effetti fisici, chimici, meccanici e di altro tipo ad alte temperature (generalmente 1000-1800 °C), oppure a erodersi, incrinarsi o danneggiarsi, interrompendo così il funzionamento. Pertanto, è necessario che il materiale refrattario possieda proprietà che gli consentano di adattarsi a diverse condizioni operative. Di seguito sono riportati 4 indicatori che determinano le prestazioni ad alta temperatura dei materiali refrattari:
(1) Refrattario
La refrattarietà si riferisce alla temperatura alla quale un materiale raggiunge uno specifico grado di rammollimento sotto l'azione di alte temperature e caratterizza la resistenza del materiale alle alte temperature. La refrattarietà è il criterio fondamentale per valutare se un materiale può essere utilizzato come refrattario. L'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) stabilisce che i materiali inorganici non metallici con una refrattarietà superiore a 1500 °C sono considerati materiali refrattari. Essa è diversa dal punto di fusione del materiale ed è l'espressione complessiva della miscela di solidi multifase composta da vari minerali.
Il fattore fondamentale che determina la refrattarietà è la composizione chimica e la distribuzione minerale del materiale. Diverse impurità, soprattutto quelle con un forte effetto solvente, riducono drasticamente la refrattarietà del materiale. Pertanto, è necessario adottare misure appropriate nel processo produttivo per garantire e migliorare la purezza delle materie prime.
La refrattarietà non è una grandezza fisica assoluta specifica di una sostanza, ma un indicatore tecnico relativo che misura il grado di rammollimento di un materiale in determinate condizioni di prova. Il materiale di prova viene modellato a forma di tronco di cono triangolare (denominato cono di prova) secondo il metodo prescritto, e viene utilizzato un tronco di cono triangolare standard (denominato cono standard) riscaldato a una temperatura fissa e con una specifica velocità di riscaldamento. La refrattarietà viene determinata confrontando il grado di curvatura del tronco di cono di prova con quello del tronco di cono standard. La base inferiore del tronco di cono ha un lato di 8 mm, la base superiore un lato di 2 mm e l'altezza è di 30 mm. Durante la misurazione, ad alta temperatura, all'interno della piramide può comparire una fase liquida. Con l'aumentare della temperatura, aumenta la quantità di fase liquida, diminuisce la viscosità della fase liquida e il cono si rammollisce. Quando l'ammorbidimento raggiunge un certo livello, il cono si piega gradualmente a causa del proprio peso. Quando il cono di prova e il cono standard vengono piegati contemporaneamente fino a quando la loro punta non è a contatto con il telaio, la temperatura di piegatura determinata del cono standard deve prevalere come refrattarietà del cono di prova.
Conosciuta anche come punto di rammollimento del refrattario sotto carico o temperatura di deformazione del refrattario sotto carico, indica la resistenza del refrattario all'azione combinata di alta temperatura e carico a carico costante, ovvero l'intervallo di temperatura in cui il refrattario presenta una deformazione plastica evidente. La temperatura massima di esercizio del refrattario può essere dedotta dalla temperatura di rammollimento sotto carico. La temperatura di rammollimento sotto carico rappresenta la resistenza strutturale del refrattario in condizioni di utilizzo simili e può essere utilizzata come base per determinare la temperatura massima di esercizio del refrattario.
Il fattore principale che determina la temperatura di rammollimento sotto carico è la composizione chimico-minerale del materiale, che è anche direttamente correlata al processo di produzione del materiale stesso. La temperatura di sinterizzazione del materiale ha una grande influenza sulla temperatura di deformazione da rammollimento sotto carico. Se la temperatura di sinterizzazione viene opportunamente aumentata, la temperatura di inizio deformazione aumenterà a causa della diminuzione della porosità, della crescita dei cristalli e del buon legame. Migliorare la purezza delle materie prime e ridurre il contenuto di solventi o materiali a basso punto di fusione aumenterà la temperatura di deformazione da rammollimento sotto carico. Ad esempio, l'ossido di sodio nei mattoni di argilla e l'allumina nei mattoni di silice sono entrambi ossidi dannosi.
(3) Stabilità volumetrica ad alta temperatura dei materiali refrattari
Sottoposto a temperature elevate per un periodo prolungato, il materiale refrattario subisce un'espansione volumetrica, detta espansione residua. L'entità dell'espansione residua (deformazione) del materiale refrattario riflette la qualità della stabilità volumetrica alle alte temperature. Minore è la deformazione residua, migliore è la stabilità volumetrica; al contrario, minore è la stabilità volumetrica, maggiore è la probabilità di deformazioni o danni alla muratura.
La variazione della linea di ricombustione viene spesso utilizzata per valutare la stabilità volumetrica del materiale ad alta temperatura, un indicatore importante per la valutazione della qualità del materiale stesso.
La maggior parte dei materiali refrattari si contrae sotto l'azione delle alte temperature. Durante la ricottura, la maggior parte dei materiali refrattari si contrae, principalmente perché la fase liquida generata dal materiale ad alta temperatura riempie i pori, comprimendo ulteriormente le particelle. Più recentemente, si verifica la ricristallizzazione, che porta a un'ulteriore densificazione del materiale. Esistono anche alcuni materiali che si espandono durante la ricottura. Ad esempio, i mattoni di silice si espandono a causa della trasformazione policristallina durante l'uso. Questo accade perché il quarzo non convertito presente nei mattoni di silice continua a trasformarsi in tridimite o quarzo quadrato ad alta temperatura. Il quarzo, che si espande in volume, rappresenta circa il 10% della quantità non convertito nei mattoni di silice. Per ridurre la contrazione e l'espansione del materiale durante la ricottura, è efficace aumentare opportunamente la temperatura di cottura e prolungare il tempo di mantenimento, ma non in modo eccessivo, altrimenti si rischia la vetrificazione della struttura del materiale e una riduzione della stabilità agli shock termici. Grazie all'espansione delle particelle di quarzo presenti nel materiale durante la cottura e l'utilizzo, che compensa il ritiro dell'argilla, la variazione di volume dei mattoni semisilicei è minima e alcuni di essi risultano leggermente espansi.
(4) Stabilità allo shock termico
La capacità dei materiali refrattari di resistere a rapidi cambiamenti di temperatura senza deteriorarsi è detta stabilità allo shock termico. Questa proprietà è anche nota come resistenza allo shock termico o resistenza allo shock termico.
Il fattore principale che influenza l'indice di stabilità allo shock termico di un materiale è rappresentato dalle sue proprietà fisiche, come la dilatazione termica, la conduttività termica e così via. In generale, maggiore è il coefficiente di dilatazione lineare del materiale, peggiore è la sua stabilità allo shock termico; maggiore è la conduttività termica, migliore è la sua stabilità. Inoltre, anche la microstruttura, la composizione delle particelle e la forma del materiale refrattario influiscono sulla sua stabilità.
Data di pubblicazione: 15 luglio 2022