Деформация под нагрузкой

Деформация огнеупоров под нагрузкой при высоких температурах определяет их способность противостоять одновременному воздействию высоких температур и сжимающей нагрузки.

При определении огнеупорности образец деформируется под действием весьма низкой нагрузки, равной массе конуса пироскопа 0,2 Н/см²(0,02 кг/см²).

Температура, при которой работают огнеупоры такова, что они находятся в пластичном состоянии. Поэтому разрушения огнеупорных футеровок почти никогда не бывают хрупкими в отличие от обычных строительных материалов. Основной характеристикой прочности огнеупора является сопротивление пластической деформации при высоких температурах.

Огнеупорные изделия в футеровке печей одновременно с нагревом подвергаются действию механической нагрузки. В зависимости от места использования огнеупора давление колеблется от 0,1 до 0,3 МПа; так огнеупор на поду подвергается нагрузке расплавленного или нагреваемого металла, огнеупор в стенке испытывает давление вышележащих слоев кладки, в своде на огнеупор влияет сжатие, вызванное расширением свода при нагреве. В связи с этим стандартом установлено исследование деформации огнеупора при нагреве и давлении 0,2 МПа.

Из изделия выпиливают цилиндрический образец диаметром 36 мм и высотой 50 мм, к которому прикладывают указанную нагрузку и нагревают в криптоловой печи с установленной стандартом скоростью ( ГОСТ 4070-82). При нагреве образца измеряется температура печи и высота образца. В начале нагрева образец несколько увеличивается по высоте, затем начинает давать осадку. Характерными считают две температуры: t н. р. –температура начала размягчения, соответствующую 4%-ному сжатию образца; t к.р. - температура конца размягчения, соответствующую 40%-ному сжатию образца.

На деформацию под нагрузкой влияет природа огнеупорного материала и наличие твердой и жидкой фаз. На рис. 3.2.1. показаны характерные кривые деформации огнеупора под нагрузкой:

а) кривые 1 и 2 иллюстрируют деформацию огнеупора, состоящего из зернистой основы и большого количества (40-50%) связующей ее стекловидной фазы (шамотные изделия). При нагреве количество жидкой фазы увеличивается. Основа, содержащая кремнезем и глинозем, растворяется в ней, вследствие чего вязкость жидкой фазы возрастает. поэтому усадка образца при испытании, начинаясь при сравнительно низких температурах, происходит плавно;

б) кривая 3 показывает деформацию огнеупора, состоящего из кристаллов, не образующих сростка, имеющих связку менее огнеупорную, чем кристаллы. При нагреве кристаллы практически в связке не растворяются, поэтому вязкость не уменьшается. В результате образец не дает плавной усадки, а скалывается не достигая 40% усадки. Этим объясняется и большой разрыв для таких изделий между огнеупорностью и температурой деформации под нагрузкой (периклазовый);

в) кривая 4 иллюстрирует деформацию огнеупора, имеющего в своей основе прочный кристаллический сросток, почти не растворяющийся в жидкой фазе, содержание которой не значительно (10-20 ⁰С).

Рисунок 3.2.1. - Кривые деформации огнеупоров при одновременном воздействии нагрузки и температуры.

Образец H=50 мм, d=36 мм (F@ 10 см²) испытывают под нагрузкой 2 кг/см² ( 20 Н/см²)

Масштаб графика: 1см=50⁰С; деформация 5мм=1%

Сначала при нагреве образец расширяется. Потом деформация от сжатия превышает расширение и кривая падает.

Характерными считают две температуры:

- t_н.р. – температура начала размягчения, соответствующую 4%-му сжатию образца;

- t_К.Р.- температура конца размягчения, соответствующую 40%-ному сжатию образца;

Интервал размягчения:

t_40%- t_Н.Р..= t _{интервала размягчения}

Деформация под нагрузкой при высоких температурах характеризуется температурой начала деформации огнеупора под нагрузкой 2кг/см² (20 Н/см²) поперечного сечения образца в первоначальном состоянии.

Деформация под нагрузкой при высоких t⁰ в тепловых агрегатах – весьма существенный показатель для огнеупоров, работающих в кладке большой высоты и в арочных сводах большого пролета.

Таблица 3.2 - Связь строительной прочности огнеупоров с их составом

и огнеупорностью.

* Скалывание периклазового образца.

Как видно из таблицы, у динасовых изделий температура начала деформации близка к температуре огнеупорности. У периклазового огнеупора Т_н.р. значительно ниже температуры огнеупорности. При нагреве шамотных огнеупоров интервал деформации около 200 ⁰С, а Т_н.р. на 350 ⁰С ниже температуры огнеупорности. Чем ближе Т_н.р. к огнеупорности изделий, тем, следовательно, лучше используются свойства исходного сырья, составляющего основу огнеупора, и тем выше качество огнеупора.

Таким образом, деформация под нагрузкой является самым важным показателем, определяющим верхний температурный предел службы огнеупорных изделий, и часто называется их строительной прочностью.