Karakterizacija ognjevzdržnih materialov -opredelitev temperature uporabnosti
Characterisation of Refractory Materials - Assesment of Service Temperature
M. Kovačevič1, Nada Vižintin, Zavod za gradbeništvo-ZRMK, Ljubljana
Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1995-12-22
Ognjevzdržni materiali se razlikujejo po kemični, mineraloški in granulometrični sestavi ter po načinu oblikovanja Glede na posamezne fizikalne in termične lastnosti ugotavljamo uporabnost materiala. Opredelitev temperature uporabnosti ognjevzdržnega materiala je odvisna od posameznih lastnosti materiala in od mesta njegovega vgrajevanja. Vrednotenje materiala oziroma izdelkov le na osnovi posameznih lastnosti ni zadostno. Uporabo ognjevzdržnega materila je možno opredeliti le na osnovi kompletnih preskušanj za določen namen. Podan je pregled potrebnih preskušanj lastnosti za gosto oblikovane in izolacijske (lahke materiale) ter način vrednotenja.
Ključne besede: ognjevzdržni materiali, lastnosti, preskušanja, temperatura uporabe
Refractory materials differ vvith regard to their chemical, mineralogical and grain size composition as weil as method of shaping. Their applicability can be established on the basis of several physical and thermal properties. Service temperature of refractory materials depends on several material properties and location of installation. Evaiuation of materials or shaped products on the basis of their particular properties only is not sufficient. The assesment of maximal service temperature can be made after a careful analysis of the complete tests for a given material and purpose of application is performed. A survey of necessary tests for dense shaped and insulating (lightvveight materials) and methods of evaiuation are presented.
Key words: materials, refractories, properties, testing, service temperature
1 Uvod
Med ognjevzdržne materiale, ki se uporabljajo za obloge v raznih pečeh in drugih toplotnih objektih, spadajo materiali, pri katerih je temperatura zmehčišča nad 1500°C, to je nad SK 17. Za preskušanje ognjevzdržnih materialov in razvrstitev po kakovosti so pri nas še vedno veljavni standardi JUS, ki so bili v večji meri usklajeni z ISO.
Ognjevzdržne materiale razdelimo v skupine glede na temperaturo zmehčišča ter kemično in mineraloško sestavo.
2 Razvrstitev ognjevzdržnih materialov
2.7 Razvrstitev ognjevzdržnih materialov glede na temperaturo zmehčišča (ognjevzdržnost)
Metoda preskušanja je po IUS B.D8.301, razvrstitev pa po JUS B.D6.100. Oba standarda sta usklajena z ISO. Razvrstitev materialov:
-	ognjevzdržni: 1500 do 1700°C
-	visoko ognjevzdržni: 1700 do 2000°C
-	zelo visoko ognjevzdržni (specialni): nad 2000°C.
1 Mag. Mihaela KOVAČEVIČ. ilipl.inž.kem.lehn. Zavod za gradbeništvo - ZRMK 10(X) Ljubljana. Dimičeva 12
2.2 Ra zvrstitev ognjevzdržnih materialov po kemični
sestavi oziroma po vsebnosti posameznih oksidov
Razvrstitev materialov je podana po JUS B.D6.201, kije usklajen z ISO 1109.
Visoko aluminatni materiali: vsebnost AI2O3 je nad 56% (m/m) pri skupini I in med 45 in 56% (m/m) pri skupini II. Glede na mineraloško sestavo oziroma na sestavo osnovnih surovin razvrstimo materiale še v mulitne, korundne in druge.
Samotni materiali: vsebnost Al203 je med 30 in 45% (m/m).
Nizko aluminatni (pol-kisli): vsebnost AI2O3 je med 10 in 30% (m/m) in vsebnost Si02 do 85% (m/m).
Silikatni: vsebnost Si02 je med 85 in 93% (m/m).
Silicijdioksidni: vsebnost Si02 je nad 93% (m/m).
Bazični: kjer je vsebnost MgO v magnezitni materialih nad 80% (m/m), v magnezitno-kromitnih med 55 in 85% (m/m), v krom-magnezitnih med 25 in 55% (m/m) ter v kromitnih Cr2Oi nad 25% (m/m). Med bazične materiale spadajo tudi materiali na osnovi forsterita in dolomita.
Specialni materiali: v to skupino spadajo materiali na osnovi ogljika, grafita, cirkona, silicijevega karbida, nitridov, borida in izdelki na osnovi drugih oksidov, razen bazičnih.
2.3 Razvstitev ognjevzdržnih materialov glede na način
oblikovanja in poroznost
Po JUS B.D6.101 in 210, ki sta usklajena z ISO 2245 in 2246, razdelimo materiale glede na surovine in proiz-
vodnjo v oblikovance in mase. Mase nadalje razdelimo v betone in razne plastične mase. Glede na gostoto oziroma poroznost razdelimo ognjevzdržne materiale v gosto oblikovane (težke) in lahke (izolacijske). V izolacijske materiale spadajo tisti, pri katerih je skupna poroznost večja kot 45%. Med nje spadajo še tisti, izdelani na osnovi keramične volne, katerih sestava in uporaba je različna.
3 Preskušanje ognjevzdržnih materialov
Dobro poznavanje materialov je osnova za pravilno opredelitev mesta vgradnje in temperature pri uporabi. Zato je potrebno pri oblikovancih in masah poznati: kemijsko sestavo mineraloško sestavo teksturo materiala granulometrično sestavo
(pri masah) tehnološke lastnosti (sušenje, žganje) fizikalne lastnosti:
-	upogibno in tlačno trdnost
-	prostorninsko maso
-	obrabo
-	skrček pri sušenju in žganju
-	dodatni skrček pri temperaturi uporabe
-	dilatacijo(a)
-	zmehšišče, SK vrednost
-	upogibno trdnost pri visokih temperaturah
-	obstojnost pri visokih temperaturah pod obremenitvijo in
časovnim vplivom
-	obstojnost pri temperaturnih spremembah
-	obstojnost pri vplivu atmosfere
-	obstojnost na kemikalije in žlindre
-	izolacijske lastnosti (toplotna prevodnost). Metode preskušanja so podane v JUS
B.D8.100,200,300 - ISO, DIN.
4 Določitev (ugotovitev) temperature uporabe
Za pravilno določitev namena uporabe (temperature uporabe, mesto vgradnje) ognjevzdržnih materialov: ob-likovancev, nabijalnih mas, betonov, izolacijskih materialov, je potrebno poznavanje vseh prej naštetih lastnosti. Temperatura uporabe materialov je odvisna od posameznih vrednosti za navedene lastnosti.
Izbira materiala samo po kemični sestavi oziroma vsebnosti AI2O3 je pomanjkljiva. Pomembno je tudi poznati mineraloško sestavo (vsebnost korunda, mulita), gostoto materiala, naknadne skrčke, mehanske trdnosti. Od vrednosti teh lastnosti je odvisna obstojnost ogn-jevzdržnega materiala.
4.1 Preskušanja za določitev oziroma ocenitev temperature uporabe
Za ocenitev temperature uporabe je potrebno narediti vsaj naslednja preskušanja:
-	zmehčišče (SK vrednost)
-	dodatni skrček
-	obstojnost pod pritiskom v odvisnosti od temperature
-	obstojnost pod pritiskom (različno) pri konstantni
temperaturi in odvisnosti od časa.
Za ocenitev temperature uporabe ni zadostna samo ugotovitev SK vrednosti!
4.1.1	Težki-gosti materiali
Za določitev klasifikacijske temperature ugotovimo dodatni linearni skrček (v območju temperature uporabe) in obstojnost pod pritiskom v odvisnosti od temperature.
Za ugotovitev dodatnega skrčka segrevamo material od 12 do 24 ur pri temperaturi uporabe.
Dovoljeni linearni skrček je: za predhodno žgane oblikovance 0%, za goste in lahke betone 1,5%, za "Ram" mase 2% in za plastične nabijalne mase 3%.
Pri preskušanju materialov na obstojnost pod pritiskom pri visokih temperaturah je obremenitev različna. Pri preskusu ugotovimo vrednosti: T0.5, Ti, T2, T5, to je skrček (posedanje) od najvišje točke (raztezka) pri segrevanju.
Za navedena preskušanja morajo biti mase, betoni predhodno odžgani na določeni temperaturi z zadrževanjem pri tej temperaturi pet ur.
Klasifikacijska temperatura je tista, pri kateri je dodatni skrček v dovoljenih mejah in je vrednost Ta pri temperaturi, ki je enaka ali višja od te temperature. Klasifikacijska temperatura ni vedno oziroma ni temperatura uporabe.
Drugi faktorji, ki vplivajo na pravilno ocenitev temperature uporabe so: hitrost in način naraščanja skrčka (padanje krivulje) pri preskušanju obstojnosti pod pritiskom v odvisnosti od temperature, maksimalni raztezek pri segrevanju, obstojnost pod pritiskom pri konstantni, izbrani temperaturi v odvisnosti od časa. Upoštevati moramo tudi zunanje vplive, kot so: obremenitev v peči, atmosfera, vpliv talin, žlinder.
4.1.2	Izolacijski materiali
Pri oblikovanih in predhodno žganih izdelkih določamo klasifikacijsko temperaturo z ugotavljanjem dodatnega linearnega skrčka. Preskušanec žgemo 24 ur pri določeni temperaturi (ocenjeni temperaturi uporabe). Klasifikacijska temperatura je tista, pri kateri je linearni skrček manjši kot 2%. Klasifikacijska temperatura ni temperatura uporabe! Dejansko pa krčenje po 24 urah še ni končano, traja lahko še 100 ali več ur.
Temperatura uporabe je vsaj od 50 do 100°C nižja, odvisno od mesta uporabe.
Za bolj realno ocenitev temperature uporabe so potrebna dodatna preskušanja:
-	obstojnost pod pritiskom v odvistnosti od temperature (obremenitev 0,05 N/mm2)
-	obstojnost pod pritiskom pri konstantni izbrani temperaturi v odvisnosti od časa (obremenitev 0,02, 0,.l, 0,.3 N/mm2).
Temperatura uporabe naj bi bila tista, pri kateri je hitrost krčenja pod 0.01 %/h. Tudi pri izolacijskih materialih moramo, za bolj natančno ocenitev temperature uporabnosti, upoštevati podatke in zunanje vplive kot smo jih navedli v točki 4.1.1.
5 Sklep
Iz navedenih dejstev je razvidno, da je za pravilno ocenitev uporabnosti in izbor ognjevzdržnega materiala
nujno narediti vsa preskušanja, ki lahko zagotovijo varno izbiro materiala. V praksi se večkrat dogaja, da se material izbira le na osnovi ene ali dveh lastnosti. Zaradi tega pride npr. do prehitrega propadanja obloge in do velikih poškodb v pečeh in drugih toplotnih objektih.
6 Literatura
'Standardi: JUS B.D8.300 do 330, DIN 51010 do 51070, ISO 1109, 1127, 2245, 2246
2PRE Refractory Materials-Recommendations 1990 - Federation Europenne des Fabricants de Produits Refractaires, Ziirich 3 Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 913, 912, 917 - 1984 4Hardes/Kienow: Feuerfestkunde - Herstellung, Eigenschaften und Venvendung feuerfester Baustoffe, Springer-Verlag 1960 5 J. H. Chesters: Refractories: Produetion and Properties, The Metals Society London 1983