ตัวชี้วัดสี่ประการที่ใช้กำหนดประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงของวัสดุทนไฟ

ในระหว่างการใช้งาน วัสดุทนไฟจะหลอมละลายและอ่อนตัวได้ง่ายจากผลกระทบทางกายภาพ เคมี กลไก และอื่นๆ ที่อุณหภูมิสูง (โดยทั่วไป 1000~1800 °C) หรืออาจสึกกร่อน แตก หรือเสียหาย ซึ่งจะทำให้การใช้งานหยุดชะงัก นอกจากนี้ วัสดุยังปนเปื้อนอีกด้วย ดังนั้น วัสดุทนไฟจึงต้องมีคุณสมบัติที่สามารถปรับตัวให้เข้ากับสภาวะการใช้งานต่างๆ ได้ ต่อไปนี้คือ 4 ตัวชี้วัดที่ใช้พิจารณาประสิทธิภาพของวัสดุทนไฟที่อุณหภูมิสูง:

(1) ทนไฟ

ความทนไฟ หมายถึง อุณหภูมิที่วัสดุจะอ่อนตัวลงถึงระดับหนึ่งภายใต้การกระทำของอุณหภูมิสูง และเป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของวัสดุต่อการกระทำของอุณหภูมิสูง ความทนไฟเป็นพื้นฐานในการพิจารณาว่าวัสดุนั้นสามารถใช้เป็นวัสดุทนไฟได้หรือไม่ องค์การมาตรฐานสากลกำหนดว่า วัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะที่มีความทนไฟสูงกว่า 1500 ℃ ถือเป็นวัสดุทนไฟ ซึ่งแตกต่างจากจุดหลอมเหลวของวัสดุ และเป็นการแสดงออกอย่างครอบคลุมของส่วนผสมของของแข็งหลายเฟสที่ประกอบด้วยแร่ธาตุต่างๆ

ปัจจัยพื้นฐานที่สุดที่กำหนดความทนไฟคือองค์ประกอบทางเคมีและสัดส่วนการกระจายตัวของแร่ธาตุในวัสดุ ส่วนประกอบที่ไม่บริสุทธิ์ต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีฤทธิ์ในการละลายสูง จะลดความทนไฟของวัสดุลงอย่างมาก ดังนั้นจึงควรพิจารณามาตรการที่เหมาะสมในกระบวนการผลิตเพื่อให้มั่นใจและปรับปรุงความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบ

ความทนความร้อนไม่ใช่ปริมาณทางกายภาพที่แน่นอนสำหรับสารใดสารหนึ่ง แต่เป็นตัวบ่งชี้ทางเทคนิคเชิงสัมพัทธ์เมื่อวัสดุถึงระดับการอ่อนตัวที่เฉพาะเจาะจงซึ่งวัดภายใต้เงื่อนไขการทดสอบที่เฉพาะเจาะจง วัสดุที่ใช้ทดสอบจะถูกทำเป็นรูปทรงกรวยสามเหลี่ยมตัด (เรียกว่ากรวยทดสอบ) ตามวิธีการที่กำหนด และกรวยสามเหลี่ยมตัดมาตรฐาน (เรียกว่ากรวยมาตรฐาน) ที่มีอุณหภูมิการดัดงอคงที่ที่อัตราการให้ความร้อนที่เฉพาะเจาะจง จากนั้นจึงทำการให้ความร้อนและหาค่าความทนความร้อนโดยการเปรียบเทียบระดับการดัดงอของกรวยทดสอบกับระดับการดัดงอของกรวยมาตรฐาน ฐานด้านล่างของกรวยสามเหลี่ยมตัดมีความยาวด้านละ 8 มม. ฐานด้านบนมีความยาวด้านละ 2 มม. และความสูง 30 มม. ในระหว่างการวัด อาจมีเฟสของเหลวปรากฏขึ้นในกรวยที่อุณหภูมิสูง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปริมาณของเฟสของเหลวจะเพิ่มขึ้น ความหนืดของเฟสของเหลวจะลดลง และกรวยจะอ่อนตัวลง เมื่อการอ่อนตัวถึงระดับหนึ่ง กรวยจะค่อยๆ โค้งงอเนื่องจากน้ำหนักของตัวเอง เมื่อทำการดัดกรวยทดสอบและกรวยมาตรฐานพร้อมกันจนกระทั่งปลายยอดของทั้งสองกรวยสัมผัสกับตัวเครื่อง อุณหภูมิการดัดที่กำหนดไว้ของกรวยมาตรฐานจะถือเป็นค่าความทนไฟของกรวยทดสอบ

อุณหภูมิอ่อนตัวภายใต้ภาระ หรือที่รู้จักกันในชื่อจุดอ่อนตัวของวัสดุทนไฟภายใต้ภาระ หรืออุณหภูมิการเสียรูปของวัสดุทนไฟภายใต้ภาระ บ่งชี้ถึงความต้านทานของวัสดุทนไฟต่อการกระทำร่วมกันของอุณหภูมิสูงและภาระภายใต้ภาระคงที่ หรือช่วงอุณหภูมิที่วัสดุทนไฟแสดงการเสียรูปพลาสติกอย่างชัดเจน อุณหภูมิใช้งานสูงสุดของวัสดุทนไฟสามารถอนุมานได้จากอุณหภูมิอ่อนตัวภายใต้ภาระ อุณหภูมิอ่อนตัวภายใต้ภาระแสดงถึงความแข็งแรงเชิงโครงสร้างของวัสดุทนไฟภายใต้สภาวะการใช้งานที่คล้ายคลึงกัน และสามารถใช้เป็นพื้นฐานในการกำหนดอุณหภูมิใช้งานสูงสุดของวัสดุทนไฟได้

ปัจจัยหลักที่กำหนดอุณหภูมิการอ่อนตัวภายใต้แรงกดคือองค์ประกอบทางเคมีของแร่ธาตุในวัสดุ ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับกระบวนการผลิตของวัสดุด้วย อุณหภูมิการเผาผนึกของวัสดุมีอิทธิพลอย่างมากต่ออุณหภูมิการเสียรูปที่อ่อนตัวภายใต้แรงกด หากเพิ่มอุณหภูมิการเผาผนึกอย่างเหมาะสม อุณหภูมิการเสียรูปเริ่มต้นก็จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการลดลงของรูพรุน การเติบโตของผลึก และการยึดเกาะที่ดี การปรับปรุงความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบและการลดปริมาณสารหลอมเหลวต่ำหรือตัวทำละลายจะช่วยเพิ่มอุณหภูมิการเสียรูปที่อ่อนตัวภายใต้แรงกด ตัวอย่างเช่น โซเดียมออกไซด์ในอิฐดินเหนียวและอลูมินาในอิฐซิลิกาล้วนเป็นออกไซด์ที่เป็นอันตราย

(3) ความเสถียรของปริมาตรที่อุณหภูมิสูงของวัสดุทนไฟ

ภายใต้การกระทำของอุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน วัสดุทนไฟจะเกิดการขยายตัวของปริมาตร ซึ่งเรียกว่าการขยายตัวคงเหลือ ขนาดของการขยายตัวคงเหลือ (การเสียรูป) ของวัสดุทนไฟสะท้อนถึงคุณภาพของความเสถียรของปริมาตรที่อุณหภูมิสูง ยิ่งการเสียรูปคงเหลือน้อยเท่าไร ความเสถียรของปริมาตรก็ยิ่งดีเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม ยิ่งความเสถียรของปริมาตรแย่ลงเท่าไร ก็ยิ่งทำให้เกิดการเสียรูปหรือความเสียหายของโครงสร้างได้ง่ายขึ้นเท่านั้น

การเปลี่ยนแปลงของเส้นการเผาไหม้ซ้ำมักใช้ในการประเมินความเสถียรของปริมาตรที่อุณหภูมิสูงของวัสดุ ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญในการประเมินคุณภาพของวัสดุ

วัสดุทนไฟส่วนใหญ่จะหดตัวเมื่อได้รับความร้อนสูง ในระหว่างการเผาซ้ำ วัสดุทนไฟส่วนใหญ่จะหดตัวลง เนื่องจากเฟสของเหลวที่เกิดขึ้นจากวัสดุที่อุณหภูมิสูงจะเข้าไปเติมเต็มรูพรุน ทำให้อนุภาคถูกบีบอัดและดึงเข้าหากันมากขึ้น เมื่อไม่นานมานี้ การตกผลึกใหม่ได้เกิดขึ้น ทำให้วัสดุมีความหนาแน่นมากขึ้น นอกจากนี้ยังมีวัสดุบางชนิดที่ขยายตัวในระหว่างการเผาซ้ำ ตัวอย่างเช่น อิฐซิลิกาจะขยายตัวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกหลายเหลี่ยมในระหว่างการใช้งาน เนื่องจากควอตซ์ที่ไม่เปลี่ยนรูปในอิฐซิลิกาจะยังคงเปลี่ยนเป็นไตรไดไมต์หรือผลึกสี่เหลี่ยมที่อุณหภูมิสูง ควอตซ์ซึ่งขยายตัวในปริมาตรนั้น มีประมาณ 10% ที่ไม่เปลี่ยนรูปในอิฐซิลิกา เพื่อลดการหดตัวและการขยายตัวของวัสดุในระหว่างการเผาซ้ำ การเพิ่มอุณหภูมิการเผาและยืดเวลาการคงอุณหภูมิให้เหมาะสมนั้นมีประสิทธิภาพ แต่ไม่ควรสูงเกินไป มิฉะนั้นจะทำให้โครงสร้างของวัสดุกลายเป็นแก้วและลดความเสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน เนื่องจากการขยายตัวของอนุภาคควอตซ์ในวัสดุระหว่างการเผาและการใช้งาน ซึ่งชดเชยการหดตัวของดินเหนียว ทำให้การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของอิฐกึ่งซิลิกาจึงมีน้อย และบางก้อนอาจขยายตัวเล็กน้อย

(4) ความเสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน

ความสามารถของวัสดุทนไฟในการต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วโดยไม่ถูกทำลาย เรียกว่า ความเสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน (Thermal Shock Stability) คุณสมบัตินี้เรียกอีกอย่างว่า ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน (Thermal Shock Resistance หรือ Thermal Shock Resistance)

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อดัชนีความคงตัวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันของวัสดุ คือ คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ เช่น อัตราการขยายตัวทางความร้อน ค่าการนำความร้อน เป็นต้น โดยทั่วไปแล้ว ยิ่งอัตราการขยายตัวเชิงเส้นของวัสดุสูงเท่าไร ความคงตัวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันก็จะยิ่งแย่ลงเท่านั้น และยิ่งค่าการนำความร้อนของวัสดุสูงเท่าไร ความคงตัวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้ โครงสร้างจุลภาค องค์ประกอบของอนุภาค และรูปร่างของวัสดุทนไฟ ล้วนมีผลกระทบต่อความคงตัวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันด้วย