La durata in esercizio non dipende dalla sola temperatura massima, ma dalla frequenza e dall’intensità dei cicli termici. Perché i cicli termici sono il principale fattore di usura.
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.
Un materiale refrattario che in esercizio continuo a 1.200 °C durerebbe dieci anni può cedere già dopo due anni se sottoposto a cicli termici giornalieri tra 200 e 1.200 °C. La resistenza agli shock termici è importante almeno quanto la resistenza alla temperatura.
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.
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?
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.
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