6295504690

Prof. dr inż. FRANCISZEK NADACHOWSKI, dr hab. inż. STANISŁAWA JONAS Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Kraków dr inż. DOROTA SZWAGIERCZAK

Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Mikroelektroniki Hybrydowej i Rezystorów, Kraków

Nowe materiały ogniotrwałe o małej rozszerzalności cieplnej

1. Charakterystyka ogólna

Wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej a stanowi jedną z ważnych przesłanek wyboru rodzaju materiału ogniotrwałego do zastosowania w danym urządzeniu przeznaczonym do pracy w wysokich temperaturach. Dość oczywiste jest skojarzenie tej wartości z zachowaniem się obmurza podczas ogrzewania do temperatury roboczej, które zwykle wymusza zabezpieczenie przed narastaniem nadmiernych naprężeń: dylatacje i/lub zaprawy. Ponadto, wśród cech fizycznych tworzywa właśnie rozszerzalność cieplna jest tym czynnikiem, który w decydującej mierze kształtuje wielkość naprężeń prowadzących do zniszczenia powodowanego różnicą temperatur na przekroju wyrobu. Ogólnie biorąc, przemysłowe materiały ogniotrwałe wykazują duże zróżnicowanie z omawianego punktu widzenia. Zasadowe tlenki

0    bardzo wysokiej temperaturze topnienia, peryklaz

1    wapno, a także ogniotrwałe ortokrzemiany Mg i Ca, charakteryzują się wysokimi wartościami a, bliskimi warto-

Temperatura, °C

Rys. 1. Zakres wartości średnich współczynników rozszerzalności cieplnej a próbek otrzymanych przy użyciu mało różniących się metod syntezy (pasmo) oraz dwie krzywe (niżej położone na wykresie) odnoszące się do próbek sporządzonych według odrębnych procedur. Objaśnienia w tekście ściom typowym dla stali. Mniejsze współczynniki, wciąż jednak stwarzające ryzyko nadmiernych naprężeń cieplnych, cechują kilka innych faz składowych materiałów ogniotrwałych: korund, spinele oraz dwutlenek cyrkonu, który ponadto wymaga dość kłopotliwej stabilizacji. Dogodną technologicznie, małą rozszerzalnością cieplną cechują się dwa ogniotrwałe krzemiany o szerokim zastosowaniu, mulit i cyrkon, a także ważne nietlenkowe składniki kompozytów: grafit i SiC. Substancje o bardzo niskich współczynnikach a stosowane w niektórych rodzajach ceramiki technicznej: kordieryt, glinokrzemiany Li oraz szkło krzemionkowe są w zasadzie nieogniotrwałe, a ponadto nie mogą być brane pod uwagę w tych instalacjach, gdzie należy oczekiwać szkodliwych reakcji Si02. Głównym składnikiem nowego materiału jest dwuglinian wapniowy CaAUO? (formuła tlenkowa: Ca0'2Al203 = CA2), topiący się w około 1750°C. Związek ten wykazuje, zgodnie z danymi opublikowanymi przez autorów hiszpańskich w latach 70. [1] i później [2], zadziwiająco niską wartość współczynnika a, w kontraście do pozostałych sześciu faz układu Ca0-Al₂03. W pierwszym okresie naszych badań efektów różnych (kilkunastu) mało różniących się metod syntezy CA2 zostały wykona^ ne próbki o średniej rozszerzalności odpowiadającej a = 2-3'10^s/°C w temperaturach do 200°C i 4-5'10⁶/°C do 900°C. Zakres tych wartości przedstawiono w postaci pasma na rysunku 1 w zależności od maksymalnej temperatury pomiaru [3]. Dane te są porównywalne z zachowaniem się takich materiałów specjalnych, jak ceramika kordierytowa, celzjanowa i cyrkonowa [4], a także wynikami wcześniejszych badań składników cementu glinowego przeprowadzonych w kraju [5]. Są też one kilkakrotnie niższe od współczynników rozszerzalności zasadowych tworzyw ogniotrwałych. Wartości a otrzymane przez nas według odrębnej procedury są jeszcze niższe, jak to ukazuje środkowa krzywa na rysunku 1. Dla porównania przedstawiono też dane według [2] (dolna krzywa), w których przypadku pewne wątpliwości budzi brak regularnego wzrostu wartości a z temperaturą.

Na osnowie CaAUO? jest możliwe projektowanie nowych kompozytów, które zachowując walor małej rozszerzal-

Ceramika - Materiały Ogniotrwałe nr 3/2000 83