Cicli termici: il vero banco di prova per i rivestimenti refrattari

Il problema della fatica termica

I materiali refrattari sono progettati per le alte temperature. Resistono a 1.200, 1.400 o persino 1.800 °C senza perdere la propria integrità strutturale. Ciò che molti gestori sottovalutano è che il peggior nemico di un rivestimento refrattario non è la temperatura massima assoluta, ma l’alternanza ripetuta tra caldo e freddo. Ogni ciclo termico genera tensioni meccaniche nel materiale. Il lato caldo si dilata, mentre il lato freddo conserva ancora le dimensioni originali. Questa dilatazione differenziale genera tensioni di taglio che a ogni ciclo penetrano un po’ più in profondità nel materiale.

Meccanismi del danno termico

Il danno termico si sviluppa in più fasi. Dapprima in superficie si formano sottili microfessure, appena visibili a occhio nudo. A ogni ulteriore ciclo termico queste microfessure si propagano in profondità e si collegano in una rete di fessure che suddivide la superficie in singoli segmenti. In fase avanzata questi segmenti si staccano dalla superficie sotto forma di sfaldamenti e l’asportazione di materiale accelera in modo esponenziale. In linguaggio tecnico questo processo è chiamato fatica termica o shock termico.

• Fase di riscaldo: i rapidi aumenti di temperatura generano tensioni di compressione in superficie e tensioni di trazione all’interno del materiale
• Fase di raffreddamento: lo stato tensionale si inverte. La superficie è in trazione, l’interno in compressione
• Ripetizione: ogni ciclo allarga le fessure esistenti e ne crea di nuove. Il danno è cumulativo e irreversibile
• Accelerazione: oltre una densità critica di fessure la perdita di calore aumenta, la temperatura superficiale diminuisce, il gradiente di temperatura diventa più ripido e il danno si autoalimenta

Scelta dei materiali per le zone soggette a shock termico

La resistenza agli shock termici di un materiale refrattario dipende da diverse proprietà: bassa dilatazione termica, elevata conducibilità termica, elevata tenacità a frattura e resistenza meccanica moderata. I materiali ad alto tenore di carburo di silicio o alcuni sistemi a legame fosfatico mostrano un eccellente comportamento agli shock termici. La scelta del materiale giusto va sempre fatta in funzione delle specifiche condizioni di esercizio: con quale frequenza si verificano i cicli termici? Qual è la differenza di temperatura? Con quale rapidità avvengono riscaldo e raffreddamento?

Misure operative per ridurre le sollecitazioni da shock termico

Oltre alla scelta dei materiali, anche le misure operative possono ridurre notevolmente le sollecitazioni da shock termico. Velocità di riscaldo e raffreddamento controllate sono la misura singola più efficace. Ove possibile, un forno non dovrebbe mai essere riscaldato o raffreddato a più di 50 °C/h. Anche evitare fermi non necessari e ottimizzare la pianificazione delle cariche contribuisce a preservare il rivestimento. Un forno esercito nel modo più uniforme possibile a temperatura costante raggiunge la massima durata in esercizio.