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Ce n'est pas la température maximale seule qui détermine la durée de vie, mais la fréquence et l'intensité des variations de température. Pourquoi les cycles thermiques sont le premier moteur d'usure.
Les matériaux réfractaires sont conçus pour de hautes températures. Ils supportent 1200, 1400, voire 1800 degrés Celsius sans perdre leur intégrité structurelle. Ce que beaucoup d'exploitants sous-estiment : le plus grand ennemi d'un garnissage réfractaire n'est pas la température maximale absolue, mais l'alternance répétée entre chaud et froid. Chaque variation de température engendre des contraintes mécaniques dans le matériau. La face chaude se dilate tandis que la face froide conserve encore ses dimensions d'origine. Cette dilatation différentielle engendre des contraintes de cisaillement qui progressent un peu plus loin dans le matériau à chaque cycle.
Un matériau réfractaire qui tiendrait dix ans en service continu à 1200 degrés Celsius peut céder au bout de deux ans déjà si la température varie quotidiennement entre 200 et 1200 degrés Celsius. La résistance aux chocs thermiques est au moins aussi importante que la tenue en température.
L'endommagement thermique se déroule en plusieurs phases. Se forment d'abord de fines microfissures en surface, à peine visibles à l'œil nu. Ces microfissures progressent en profondeur à chaque nouvelle variation de température et se rejoignent pour former un réseau de fissures qui découpe la surface en segments. À un stade avancé, ces segments se détachent de la surface sous forme d'écaillages et la perte de matière s'accélère de façon exponentielle. Ce processus est désigné dans le langage technique par fatigue thermique ou choc thermique.
La résistance aux chocs thermiques d'un matériau réfractaire est déterminée par plusieurs propriétés : faible dilatation thermique, conductivité thermique élevée, ténacité à la rupture élevée et résistance mécanique modérée. Les matériaux à forte teneur en carbure de silicium ou certains systèmes à liant phosphatique présentent un excellent comportement au choc thermique. Le choix du bon matériau doit toujours se faire dans le contexte des conditions d'exploitation spécifiques : quelle est la fréquence des variations de température ? Quelle est l'amplitude de l'écart de température ? À quelle vitesse s'effectuent la chauffe et le refroidissement ?
Outre le choix des matériaux, des mesures d'exploitation peuvent réduire considérablement la charge de choc thermique. Des vitesses de chauffe et de refroidissement contrôlées sont la mesure isolée la plus efficace. Dans la mesure du possible, un four ne devrait jamais être chauffé ni refroidi à plus de 50 degrés par heure. Éviter les arrêts inutiles et optimiser la planification des charges contribuent également à ménager le garnissage. Un four exploité aussi régulièrement que possible à température constante atteint la durée de vie la plus élevée.
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