Refrattari: proprietà, composizione

I refrattari sono materiali resistenti alle alte temperature superiori a 538°C, utilizzati principalmente come rivestimenti di forni per la lavorazione di materiali a temperature elevate.
A seconda dell’ambiente operativo, devono essere resistenti agli shock termici, essere chimicamente inerti, avere specifici intervalli di conducibilità termica  e del coefficiente di  dilatazione termica.

L’inizio dell’uso del refrattario può essere fatto risalire intorno al 3000 a.C. con l’ascesa della ceramica e della metallurgia in antiche civiltà come l’Egitto e la Mesopotamia. I primi esseri umani scoprirono che alcune argille e minerali, una volta modellati e cotti, potevano resistere alle alte temperature senza sciogliersi. Questi primi materiali erano grezzi per gli standard odierni, ma erano rivoluzionari, poiché consentivano la fusione del rame e del ferro e diedero origine all’età del bronzo e del ferro.

Le specie utilizzate nella produzione dei refrattari sono normalmente gli ossidi di silicio, alluminio, magnesio, calcio e zirconio. Vi sono poi alcuni refrattari non costituiti da ossidi come carburi, nitruri, boruri, silicati e grafite.

Proprietà dei refrattari

I materiali refrattari, come tutti i solidi, si espandono con il riscaldamento e il grado di espansione è legato alla composizione chimica del refrattario. L’ossido di magnesio ha il più alto coefficiente di dilatazione tra i materiali comunemente utilizzati. Il carburo di silicio ha un coefficiente di espansione relativamente basso e la silice fusa o vetrosa ha l’espansione più bassa di tutti i materiali refrattari comunemente usati.

I refrattari devono rispondere a determinati requisiti e avere la capacità di:

• resistere alle alte temperature e intrappolare il calore all’interno di un’area limitata come un forno
• resistere a sbalzi di temperatura
• sopportare il carico in condizioni di servizio
• resistere all’azione chimica e abrasiva dei materiali quali metalli liquefatti, scorie liquide, gas caldi che sono a contatto con i refrattari
• resistere alla contaminazione del materiale con cui entra a contatto
• mantenere una stabilità dimensionale sufficiente alle alte temperature e dopo o durante cicli termici ripetuti
• conservare il calore
• sopportare carichi e forze abrasive e basso coefficiente di dilatazione termica

Composizione

Sono costituiti da:

1. ossidi acidi come l’allumina Al₂O₃ e la silice SiO₂ che sono facilmente attaccabili dalle basi
2. ossidi basici come l’ossido di calcio CaO e ossido di magnesio MgO che sono facilmente attaccabili dagli acidi. Membri importanti di questo gruppo sono i refrattari di magnesite e dolomite.
3. refrattari neutri sono costituiti da specie debolmente acide o basiche come carbonio, carburo di silicio SiC, cromite FeCr ₂O₄  e zirconia ZrO₂. Sono chimicamente stabili sia agli acidi che alle basi.

Classificazione

I refrattari sono classificati in vari modi sulla base di

• composizione chimica
• proprietà chimiche delle loro sostanze costituenti
• luogo di utilizzo
• refrattarietà
• metodo di fabbricazione
• forma fisica

Si possono classificare anche in base alle applicazioni, conducibilità termica, caratteristiche, compattezza.

Classificazione sulla base della composizione chimica

Sulla base della composizione chimica sono classificati come:

• silicei costituiti da almeno il 93% di biossido di silicio prodotti da quarzo o silice fusa. Hanno la proprietà di non iniziare a rammollirsi sotto carichi elevati fino a quando non si avvicina al suo punto di fusione
• magnesiaci contenenti almeno l’85% di ossido di magnesio che hanno la proprietà di sopportare alte temperature, elevata refrattarietà sotto carico e buona resistenza agli alcali
• argilla refrattaria costituiti da silicati di alluminio idratati ottenuti dalla caolinite e utilizzati nell’industria siderurgica
• alluminosi costituiti da ossido di alluminio a diverso tenore ottenuti da bauxite, gibbsite, corindone e  böhmite
• dolomitici che si ottengono a partire dalla dolomite, costituita da carbonato doppio di magnesio e calcio e che, per calcinazione, fornisce ossido di magnesio e di calcio
• al magnesio-cromo che è un materiale composito composto principalmente di magnesia, integrato da cromite utilizzato nell’industria del cemento
• carburo di silicio sintetizzato dalla reazione della silice con il carbonio. Sono dotati di elevata conduttività termica e buona resistenza alla corrosione e agli shock termici
• zirconia costituiti da ossido di zirconio utili come materiali da costruzione per alte temperature
• carbonio ottenuto da coke, antracite o grafite e catrame come materie prime dopo essere stato miscelato e modellato e bruciato a 1450 ° C. Sono utilizzati nei serbatoi di decapaggio nell’industria galvanica, nei serbatoi di reazione e nei serbatoi di stoccaggio nell’industria chimica, nei forni  nell’industria delle ferroleghe e nella fusione di metalli non ferrosi