Тдеф. 0,2 мПа

В вертикальных стенах громоздких печей и топок, выложенных из огнеупоров нагрузку несёт нижняя более холодная часть её. Причём практическая нагрузка стен лишь в отдельных случаях достигает величины 0,05-0,1 МПа, а в сводах печей и несущих опорах, обогреваемых со всех сторон и несущих основную нагрузку, размягчение огнеупорного материала может вызвать его оседание, деформацию или разрушение. При определении температуры деформации по ГОСТу 7875-78установлена нагрузка 0,2 МПа. Для определения этой величины образцом служит цилиндр диаметром = 36 мм, высотой = 50 мм, нагревание ведут постоянно со скоростью 4-5 ^оС/мин. При этом фиксируют функциональные температурные точки.

1. Температура начала деформации.

2. Температуру, при которой происходит функциональная 4 % деформация.

3. Температуру, при которой 10% деформация сжатия.

4.Температуру, при которой происходит 20% деформация сжатия.

Оптимальной температурой эксплуатации принято считать температуру, при которой деформация не превышает 4% сжатия, т.е. 2 точку.

Температура деформации огнеупорного кирпича зависит от вида и количества кристаллических образований, от характера строения кристаллических образований, т.е. от их взаимного расположения, от количества и вязкости стекловидной фазы. Определенное влияние имеет текстура материала, т.е. его зерновой состав , количество и расположение пор.

Для керамики из чистых оксидов, состоящих в основном из кристаллов и не содержащих значительных количеств стекловидной фазы температура деформации примерно Тобжига, т.е. должна приближаться к температуре плавления кристалла Тпл.

Для керамики из Al ₂O₃ или SiO₂ разница между Т_деф.< Т_пл. приблизительно на50 ⁰С. По- другому выглядит соответствие между Тдеф. и Тобж., в материалах, которые содержат стекловидную фазу. Переход этой фазы в вязкую жидкость происходит при значительно более низких температурах, чем температура плавления кристаллов, что сильно отражается на температуре деформации, чем > количество, образующееся жидкости расплава и чем < её вязкость, тем > температура деформации изделий по сравнению с их огнеупорностью, при этом большое значение имеет и характер строения кристаллических фаз. Взаимное срастание зёрен основной кристаллической фазы повышает температуру деформации, хорошая смачиваемость кристаллов жидкой стеклофазой препятствует срастанию зерен и => понижает температуру деформации. При плохой смачиваемости происходит кристаллизация и срастание отдельных кристаллов, и температура деформации увеличивается. Связь температуры деформации с характером кристаллизации основной твердой фазы наиболее наглядно проявляется в финансовом огнеупоре. Динансовые огнеупоры состоят на 93 и более % из кристаллических фаз тридимита и кристаболита , а остальное стеклофаза. Плохая смачиваемость кристаллического кремнезёма дает возможность образования сросшихся кристаллов кристаболита и тридимита, такое срастание образует кристаллический скелет, который и обуславливает высокую температуру деформации. (Динас Тогн = 1700⁰С; Тдеф.= 1650 ^оС).

По- другому ведут себя при нагреве магнизитовые изделия, которые содержат около 92% кристаллической фазы периклаза с температурой плавления равной 2700 ^оС. Но периклаз при кристаллизации не образует кристаллического сростка, а представляет собой разобщённые агрегаты, сцементированные легкоплавкой прослойкой. Плавление и размягчение этой прослойки вызывает размягчение изделия Тогн. примерно 2300^оС Тдеф. =1650-1670 ^оС, разница около 700 ^оС.

Лекция №4.

Зависимость температуры деформации от количества и свойств стеклофазы проследим на примере шамотных огнеупоров.

Шамотный огнеупор состоит из 55% кристаллического высокоогнеупорного муллита (3Al₂O₃ 2SiO₂), а остальное кремнезёмистое стекло -видное вещество высокой вязкости. В это стекло входит большая часть примесей, содержащихся в глине. Разобщённые не связанные между собой кристаллы муллита не могут образовывать сросшегося скелета, который способствовал бы размягчению материала при более высоких температурах. И поэтому размягчение шамотных изделий вызывается главным образом размягчением стекловидного вещества, которое имеет большую вязкость. Высокая вязкость способствует постепенному и плавному течению этого процесса. Огнеупорность шамотного изделия (Т огн.=1700-1750 ^оС Тдеф. =1570-1600 ^оС), т.е. температурный интервал между началом размягчения и огнеупорностью составляет примерно 150 ^оС.

Теплофизические свойства.

Теплопроводность керамических материалов устанавливает то количество тепла, которое проходит через материал при определённом градиенте температур. В керамическом материале тепло переносится в основном за счёт упругих колебаний атомов в узлах кристаллической решетки. Теплопередача за счёт движения электронов не характерна для керамики.

Теплопроводность в керамике характеризуется коэффициентом теплопроводности λ(Вт/м.к). На величину теплопроводности при низких температурах большое влияние оказывает строение кристаллической решетки. Для кристаллов со сложной решеткой (муллит или кварц), наблюдается более низкая теплопроводность при повышении температуры у керамики кристаллического строения, теплопроводность сначала сильно уменьшается, затем носит линейный характер, а затем при температуре больше 1500 оС может даже и повышаться.

Рисунок

Коэффициент теплопроводности стекловидной фазы по мере повышения температуры монотонно возрастает по линейному закону. Поэтому керамические материалы, содержащие значительное количество стеклофазы (шамот, фарфор) имеют монотонно возрастающий λ.

Обычные керамические материалы содержат некоторое количество пор, т.е. газовую фазу. Величина теплопроводности таких материалов зависит от соотношения и распределения фаз. Тепловодность керамики со сравнительно небольшим количеством изолированных пор 20-30 % близка к теплопроводности соответствующей доли твердого тела. При наличии большого количества огнеупорных пор решающее влияние на теплопроводность принадлежит порам.

Теплоемкость в керамическом материале характеризуется количеством тепла кДж затрачиваемого при нагревании одного кг на 1 оС. Теплоемкость сильно растет с повышением температуры, затем рост замедляется и после этого увеличивается незначительно.

Рисунок

Термическое расширение керамического материала, так же как слагающие их кристаллы и стекла при нагревании расширяются. Расширение это обратимо и при охлаждении материал приобретает свой первоначальный объем. Это изменение объема обусловлено увеличением расстояний между атомами при росте амплитуды их колебаний. Термическое расширение зависит от строения кристаллической и стекловидной фазы, от прочности химических связей. В стеклах, а так же изотропных кристаллах термическое расширение по всем осям одинаково. В анизотропных кристаллах термическое расширение по отдельным осям различное. Керамика является поликристаллическим материалом с хаотичным расположением элементарных кристаллов, поэтому величину термического расширения у керамики считают одинаковой по всем направлениям и считают что β=3λ (объемный коэффициент расширения = 3-м линейным). Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) – обычно не зависит от пористости материала, но влияют трещины на гранулах кристаллов, что может изменить его величину. Термическое расширение керамического материала характеризуется средним коэффициентом термического расширения

Формула:

Истинный коэффициент расширения

Формула:

Для полной характеристики свойств важен не только ТКЛР, но и равномерность процесса расширения в отдельных температурных участках, т.е. подсчитать αист.

Рисунок.

Зависимость α от температуры для шамотных, корундовых и магнезитовых огнеупоров характеризуется равномерностью расширения. α у материалов, содержащих большое количество SiO₂ (динас, полукислые огнеупоры) неравномерность кривой αист обуславливается полиморфными превращениями кристаллических модификаций кварца.

Термическая стойкость: способность керамических материалов противостоять, не разрушаясь колебаниям температуры при нагревании и охлаждении. В основе явлений, вызывающих термическое разрушение лежат процессы, связанные с возникновением в материале напряжений. Причинами возникновения напряжений могут быть различия температуры в разных частях, изделия; различия ТКЛР кристаллических и стекловидных фаз, содержащихся в керамике, ограничения возможности расширения.

Термостойкость возрастает с увеличением теплопроводности и механической прочности, снижается с увеличением ТКЛР и модуля упругости. На величину термической стойкости влияет макро и микроструктура, изделия с зернистой структурой, более термостойкие, чем плотные. В настоящее время термостойкость характеризуется величиной допускаемого для керамического материала температурного градиента ΔТ, который зависит:

от термического сопротивления материала, характеризующегося взаимной связью его упругих свойств и ТКЛР.

Формула:

от условий нагрева или охлаждения, который в свою очередь зависят от вида передачи тепла (критерий К)

от формы и размеров изделия (критерий S)

Практикой подтверждено, что введение зернового наполнителя увеличивает его размеры и количество, повышает термическую стойкость.

Это имеет место в шамотной технологии (при изготовлении шамотных огнеупоров, керамических труб). Термостойкость оценивается потерей механической прочности специально подготовленных образцов после ряда последовательного охлаждений и нагревов; Предельным температурным перепадом, при котором изделие разрушается или частично теряет свои технические свойства (эл.прочность). Для огнеупоров термостойкость определяют нагревом стандартного кирпича до 1300 оС и охлаждением в воде до 20 оС, термостойкость оценивается количеством циклов (до разрушения) облицовочная плитка 100 оС→вода →120 оС →вода …..(оценивается температурой).

Лекция № 5.

Огнеупорностью керамического материала называется способность керамического материала противостоять, не расплавляясь воздействию высоких температур. За величину огнеупорности принята температура, при которой вершина усечённого конуса коснется горизонтальной подставки. Конус изготовлен из исследуемого материала. По огнеупорности все керамические материалы подразделяются на четыре группы:

1. Легкоплавкие с огнеупорностью до 1350 ^оС

2. Тугоплавкие, с огнеупорностью от 1350 – 1580 ^оС

3. Огнеупорные 1580-2000 ^оС

4. Высокоогнеупорные свыше 2000 ^оС

К легкоплавким относят керамику:

Строительный кирпич; черепицу, дренажные трубы. К тугоплавким относят: кислотоупорные изделия, облицовочные материалы, фаянс, фарфор, некоторые разновидности технической керамики. К огнеупорным относят: огнеупоры, такие как динас, шамот, высокоглиноземистые огнеупоры и некоторые виды керамики. К высокоогнеупорным относят большую часть технической керамики из чистых оксидов и безкислородных соединений. Огнеупорность зависит главным образом от химического состава керамики, но керамические материалы состоят из разным минералов, которые при высоких температурах могут взаимодействовать друг с другом, поэтому поверхность взаимодействия этих минералов, т.е. величина их зерен, оказывает большое влияние на огнеупорность.

Например:

Керамика, состоящая из 50% кварца и 50% огнеупорной глины. При крупности кварцевых зерен 0,5 мм. Огнеупорность такой керамики 1710 ^оС, а при размере зерен 0,6 мм огнеупорность 1640 ^оС.