2.2. Сталість об'єму при високих температурах
Тривала служба вогнетриву при високих температурах викликає подальшу зміну фазового складу, перекристалізацію і додаткове спікання. Під впливом цих змін об'єм виробів зменшується або збільшується, тобто відбувається їх додаткове зсідання або розширення.
Додаткове зсідання може привести до розриву швів футерування, що в свою чергу зменшує його щільність і шлакостійкість, викликає осідання склепіння і стін печей, може привести до передчасного їх руйнування. Крім того додаткове спікання вогнетриву зменшує його термостійкість.
Незначне додаткове розширення збільшує стійкість вогнетривкого муру, особливо склепіння. Проте надто велике розширення приводить до здуття склепіння, порушує геометричну форму і рівномірність розподілу напруг, внаслідок чого може пройти руйнування стіни чи склепіння.
Додаткове зсідання відбувається за рахунок спікання матеріалу під дією рідкої фази. Крім того, ущільнення матеріалу викликає також подальша кристалізація матеріалу, якщо нова кристалічна фаза має більшу густину, ніж вихідний матеріал. Таке ущільнення може проходити, наприклад, в високоглиноземистій кераміці: перекристалізація -глинозему (густина 3470 кг/м3) в -глинозем (густина 4000 кг/м3) викликає додаткове зсідання матеріалу. Ущільнюються також магнезитові, шамотні та інші вогнетриви.
Для деяких вогнетривів під час перекристалізації спостерігається додатковий ріст, пов'язаний із зменшенням густини новоутвореної фази. Так при перекристалізації кварцу, який не перейшов під час випалу в тридиміт чи кристобаліт, густина його зменшується з 2650 кг/м3 до 2300-2320 кг/м3, що викликає додатковий ріст виробів. Аналогічні причини додаткового росту виробів з мінералів силіманітової групи, напівкислих вогнетривів, корундових на глинянім зв'язнім.
Причиною додаткового зсідання чи розширення є неповнота завершення фізико-хемічних процесів при випалі вогнетривів. Тому деякі вогнетривкі вироби (головним чином шамотні і високоглиноземисті) рекомендують випалювати при температурах, що відповідають умовам їх подальшої служби. Проте надто висока температура випалу виробів також недоцільна. Вона може викликати оскловування і деформацію матеріалу, що зменшує термічну стійкість виробів (через оскловування) і збільшує брак за формою і розмірами (через надто велике зсідання).
Зменшити додаткове зсідання можна введенням розширних при випалі додатків. Так, наприклад, введенням кварцу можна частково компенсувати зсідання глини.
Додаткове зсідання чи розширення вогнетриву визначають повторним їх випалом. Температура випалу визначається вимогами, що висуваються для даної групи виробів, а також умовами їх служби. Додаткове зсідання вогнетривів не повинно перевищувати 1-2%.
2.3. Термостійкість
Термостійкістю називають здатність керамічних матеріалів протистояти, не руйнуючись, коливанням температури при нагріванні чи охолодженні. Згідно орієнтовної оцінки третина вогнетривів руйнується внаслідок недостатньої їх термостійкості.
В основі явищ, які викликають термічне руйнування, лежать процеси, пов'язані з виникненням в матеріалі пружних і залишкових пластичних деформацій. Виникнення напружень, що приводять до руйнування матеріалу обумовлене різною абсолютною величиною розширення (звуження) шарів матеріалу внаслідок градієнту температур або анізотропією ТКЛР, хемічними реакціями, розширенням при поліморфізмі.
Для більшості вогнетривких футерувальних матеріалів коливання температури викликають утворення тріщин, розміщених паралельно поверхні, що нагрівається. З часом по цих тріщинах проходять розриви і поверхневі шари, відколюючись, відпадають від матеріалу. В щільноспечених виробах утворюються наскрізні тріщини, які виникають і розповсюджуються миттєво. В пористих виробах зернистої будови тріщини виникають і розповсюджуються поступово, інколи викликаючи розпушення структури. Ущільнення горячої поверхні вогнетривкої цегли через спікання і додаткове зсідання посилює схильність до сколювання поверхневих шарів. Причиною сколювання є напруження зсуву між шарами, що виникають у виробі внаслідок температурних перепадів при нагріванні і охолодженні. Величина зсуву залежить від форми і розмірів виробу, ТКЛР і теплопровідності черепка.
При охолодженні поверхневі шари, стискаючись, піддаються напруженням розтягу, внаслідок чого виникають тріщини переважно в площинні перпендикулярній до охолоджуваної поверхні. При нагріванні поверхневі шари, розширяючись, піддаються стисканню внаслідок чого виникають напруження зсуву і з'являються тріщини переважно під кутом 45о до зовнішньої поверхні. Так як границя міцності на розтяг набагато менша ніж на стиск чи зсув, то найбільш небезпечним для вогнетривких матеріалів є їх різке охолодження.
Практика використання вогнетривких матеріалів показала, що введення зернового наповнювача, збільшення його розмірів і кількості підвищує термостійкість. Це пов'язано з тим, що під час випалу на границі опіснюючого зерна і зв'язки виникають мікротріщини. При утворенні термічних тріщин такі мікротріщини дають можливість взаємного зміщення окремих шарів структури, що сприяє локальній розв'язці напружень. Аналогічну роль можуть виконувати в певних умовах і пори, на поверхні яких концентруються напруження, що викликають утворення мікротріщин.
З метою посилення утворення мікротріщин на границі зерен наповнювача і зв'язки вводять гідрофобні додатки. Штучне утворення мікротріщин дозволяє підвищити термічну стійкість спеченого черепка. Так, введення в кераміку на основі стабілізованого кубічного двооксиду цирконію певної кількості нестабілізованого моноклінного ZrО2 супроводжується значним підвищенням її термостійкості. Це пов'язане із різним ТКЛР вказаних фаз а також різними об'ємними змінами при поліморфних переходах, що супроводжується утворенням мікротріщин. Проте різна величина термічного розширення окремих кристалічних складових чи склофази при певних умовах може привести до надмірних перенапружень, які можуть викликати розтріскування і розпушення структури і навіть повне руйнування матеріалу (наприклад надлишок моноклінної форми в кераміці з двооксиду цирконію).
При температурах вище 1000 оС деякі вогнетриви набувають здатність до залишкової пластичної деформації, яка врівноважує напруження, що виникають у виробі. Отже, коливання температури в області пластичної деформації не може викликати такого руйнування, як в області тільки пружної деформації, тобто при низьких температурах.
Термічну стійкість вогнетривких матеріалів в загальному вигляді, тобто якщо не враховувати їх розмірів, структурних особливостей і умов випробувань, можна оцінити коефіцієнтом термостійкості Kt.
Kt = / C ,
де - теплопровідність матеріалу; - границя міцності на розтяг; С - теплоємність; - середня густина; - температурний коефіцієнт лінійного розширення; - модуль пружності.
Термостійкість вогнетривів визначають двома методами. Згідно першого методу один кінець цегли нормальних розмірів нагрівають до 1300 оС, другий знаходиться при кімнатній температурі. Після нагріву цеглу охолоджують в проточній воді. Термостійкість виражають числом теплозмін до втрати виробом 20% маси за рахунок відколювання окремих його частин. Цей метод є стандартним. Другий метод передбачає нагрів з середини кільця виготовленого з досліджуваного вогнетривкого матеріалу. Термостійкість виражають перепадом температур при якому кільце зруйнується.