Refrattario
Quando un materiale è refrattario?
Il termine refrattario è riferito ad un materiale ceramico che ha la capacità di resistere alle alte temperature (per definizione superiore a 1580 °C) rimanendo inalterati e senza produrre crepe o fratture e senza manifestare fenomeni di fusione o di deformazione.
Classificazione dei materiali refrattari
I materiali refrattari vengono generalmente classificati in ordinari e speciali.
I materiali refrattari ordinari vengono utilizzati in applicazioni comuni. A seconda della loro composizione chimica possono essere classificati in acidi o basici. Quelli acidi sono costituiti essenzialmente da SiO2 e Al2O3; quelli basici sono invece essenzialmente costituiti da ossido di calcio (CaO), da ossido di magnesio (MgO) o da triossido di dicromo (Cr2O3).
I materiali refrattari speciali sono più costosi degli ordinari e trovano impiego in applicazioni specifiche. Appartengono a questa categoria sia i materiali a base di grafite e carbonio amorfo che gli ossidi puri di Al, Be, Mg, Th, Zr; questi ultimi associano l'alta resistività elettrica e la bassa conduttività termica (tipiche dei composti ionici) alla elevata durezza (tipica dei materiali ceramici).
Tra i refrattari a base di carbonio un ruolo speciale e particolarmente importante lo ricopre il carburo di silicio (SiC), composto covalente di elevata durezza, contraddistinto da buona resistenza agli sbalzi termici ed elevata inerzia ai reattivi chimici.
Il carburo di silicio ha tendenza a ossidarsi formando SiO2 e CO; questa ossidazione però resta limitata allo strato esterno del pezzo, in quanto gli stessi prodotti siliciosi di ossidazione formano un rivestimento vetroso che protegge il materiale sottostante.
Lastre in carburo di silicio.
Tra i materiali refrattari speciali ricordiamo infine anche il nitruro di boro (BN) e il nitruro di silicio (Si3N4).
Fabbricazione dei refrattari
La tecnica di fabbricazione dei refrattari non differisce da quella usata per i prodotti ceramici. La cottura viene eseguita di solito in forni a tunnel; sono però ancora usati i forni intermittenti, particolarmente per pezzi di forma speciale.
Alcuni tipi speciali di refrattari vengono pressati con un legante chimico, per esempio ossicloruro di magnesio, e poi messi in opera direttamente, senza cioè essere stati sottoposti alla cottura.
Talvolta, durante la pressatura vengono incassati in una guaina metallica (per esempio di acciaio); quando, dopo l'installazione, il refrattario viene riscaldato, il ferro di tale guaina si ossida e reagisce con il refrattario stesso, legando saldamente tra loro i singoli mattoni.
Tutti i prodotti refrattari, e specialmente i mattoni non cotti, devono avere la massima densità possibile. Nel caso dei refrattari argillosi, allo scopo di aumentarne la densità e diminuirne la contrazione in cottura, l'argilla plastica di solito viene mescolata con chamotte (argilla o caolino cotti in precedenza, o rottami di refrattari frantumati).
Proprietà dei refrattari
Il primo requisito per i materiali refrattari è ovviamente un'alta temperatura di fusione; i materiali refrattari devono inoltre essere resistenti alla compressione a temperature elevate e agli sbalzi di temperatura.
La resistenza di un refrattario agli sbalzi di temperatura indica la sua capacità di sopportare, senza rompersi, differenze di temperatura nei diversi punti di esso. La resistenza agli sbalzi di temperatura aumenta con la resistenza alla compressione e con la conduttività termica; diminuisce invece con l'aumento del modulo di Young e del coefficiente di dilatazione termica e dipende dalla forma, dalle dimensioni del pezzo e dalle condizioni di prova.
Molto importanti sono le proprietà chimiche dei refrattari. Per esempio, l'ossido di magnesio contenuto nei mattoni basici ha la tendenza a idratarsi, cioè a reagire con l'acqua formando Mg(OH)2; questa reazione è dannosa e deve essere evitata il più possibile.
Uno dei fattori essenziali da cui dipende la durata di un refrattario in siderurgia è la sua velocità di corrosione da parte delle scorie fuse e dell'ossido di ferro presente nei fumi; tale velocità dipende in gran parte dalla porosità del refrattario.
Impieghi dei materiali refrattari
I materiali refrattari trovano largo impiego nella costruzione di impianti e apparecchiature soggette a elevate temperature.
Nel campo della siderurgia, dell'industria del cemento, del vetro e della ceramica, i materiali refrattari trovano impiego nella produzione di vari tipi di forni. In ambito strettamente chimico i materiali refrattari trovano invece impiego nella produzione di reticelle spargifiamma, di crogioli e di stufe.
Molti refrattari, come l'ossido di alluminio e il carburo di silicio (carborundo), possiedono anche notevole durezza e si usano perciò anche come abrasivi: in alcune applicazioni vengono sfruttate entrambe queste proprietà (refrattarietà e durezza), per esempio nelle guarnizioni di freni di aeroplani.
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