Poznavanje termičkog širenja vatrostalnih materijala

Poznavanje termičkog širenja vatrostalnih materijala
Toplotno širenje se odnosi na svojstvo vatrostalnih materijala gdje njihov volumen ili dužina raste s porastom temperature. Obično se izražava u smislu brzine linearne ekspanzije i prosječnog koeficijenta linearne ekspanzije, ili alternativno, u terminima volumetrijske brzine širenja i koeficijenta volumetrijskog širenja.
Koeficijent toplinskog širenja zapravo nije konstantna vrijednost; varira s temperaturom. Uobičajeni koeficijent toplinske ekspanzije odnosi se na prosječnu vrijednost unutar određenog temperaturnog raspona. Prilikom primjene ovog koncepta važno je obratiti pažnju na primjenjivi temperaturni raspon.
Svojstva toplinske ekspanzije materijala usko su povezana s njihovom strukturom i čvrstoćom veze. Materijali s visokom čvrstoćom veze pokazuju niske koeficijente toplinskog širenja (kao što su SiC materijali). Za materijale istog sastava, njihovi koeficijenti toplinske ekspanzije variraju zbog različite strukture. Generalno, kristali sa kompaktnom strukturom imaju relativno velike koeficijente toplotnog širenja, dok amorfna stakla obično imaju manje koeficijente toplotnog širenja. Za okside s gustom strukturom pakiranja iona kisika, koeficijent linearne ekspanzije je općenito velik. Kod ne-izotropnih kristala (ne-jednakoosnih kristalnih sistema), anizotropija njihovog termičkog širenja je posebno evidentna, sa različitim koeficijentima termičke ekspanzije u različitim smjerovima kristalnih osa. Materijali sa visoko anizotropnom strukturom pokazuju vrlo male koeficijente volumetrijskog širenja.
Svojstva toplotnog širenja vatrostalnih materijala zavise od njihovog hemijskog sastava, mineralnog sastava i mikrostrukture, a takođe variraju sa promenama u temperaturnom opsegu.
Toplotno širenje vatrostalnih materijala direktno utiče na njihovu otpornost na toplotni udar i volumetrijsku stabilnost, što ga čini jednim od važnih svojstava koje treba uzeti u obzir prilikom proizvodnje (uspostavljanja sistema pečenja) i upotrebe vatrostalnih materijala. Za vatrostalne materijale s visokim toplinskim širenjem i polikristalnom transformacijom, dilatacijske spojeve treba rezervirati za ublažavanje naprezanja uzrokovanog toplinskim širenjem zbog njihovog velikog širenja na visokim temperaturama. Stopa linearne ekspanzije i koeficijent linearnog širenja ključni su parametri za projektovanje i proračun ukupne veličine strukture rezervisanih dilatacionih fuga i zida.
Postoje dvije metode ispitivanja za termičko širenje vatrostalnih materijala, odnosno nacionalni standard GB/T 7320.1-2000 (metoda klipa) i nacionalni standard GB/T 7320.2-2000 (teleskopska metoda). Principi ispitivanja obje metode su sljedeći: zagrijati uzorak na specificiranu temperaturu ispitivanja uz unaprijed određenu brzinu porasta temperature, izmjeriti promjenu dužine uzorka kako temperatura raste i izračunati brzinu linearne ekspanzije uzorka kako temperatura raste i prosječni koeficijent linearne ekspanzije unutar specificiranog temperaturnog raspona.