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源磊告訴你| 有效提高耐火材料抗熱震性能的7種有效方法

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發布時間:
2020-04-10
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源磊告訴你| 有效提高耐火材料抗熱震性能的7種有效方法

 

抗熱震性是指耐火材料抵抗溫度急劇變化而導致損傷的能力。曾稱熱震穩定性、抗熱沖擊性、抗溫度急變性、耐急冷急熱性等。

抗熱震性的測定根據不同的要求與產品類型應分別按照相應的測試方法進行測定,主要測試方法有:黑色冶金標準YB/T 376. 1—1995耐火制品抗熱震性試驗方法(水急冷法)、黑色冶金標準YB/T 376. 2—1995耐火制品抗熱震性試驗方法 (空氣急冷法)、黑色冶金標準YB/T 376. 3—2004耐火制品抗熱震性試驗方法第3部分:水急冷-裂紋判定法、黑色冶金標準YB/T 2206.1—1998耐火澆注料抗熱震性試驗方法(壓縮空氣流急冷法)、黑色冶金標準YB/T 2206. 2—1998耐火澆注料抗熱震性試驗方法(水急冷法)。

材料的力學性能和熱學性能,如強度、斷裂能、彈性模量、線膨脹系數、熱導率等是影響其抗熱震性的主要因素。一般來說,耐火材料的線膨脹系數小,抗熱震性就越好;材料的熱導率(或熱擴散系數)高,抗熱震性就越好。此外,耐火材料 的顆粒組成、致密度、氣孔是否微細化、氣孔的分布、制品形狀等均對其抗熱震性 有影響。材料內存在一定數量的微裂紋和氣孔,有利于其抗熱震性;制品的尺寸大、并且結構復雜,會導致其內部嚴重的溫度分布不均和應力集中,降低抗熱震性。

有研究表明,通過阻止裂紋擴展、消耗裂紋擴展動力、增加材料斷裂表面能、降低線膨脹系數和增加塑性等方式可以提高耐火材料的熱震穩定性。具體技術措施為:

(1)適當的氣孔率

除了存在氣孔之外,耐火材料內部骨粒和結合相之間還存在一定量的裂隙。耐火材料在斷裂過程中,內部氣孔和裂隙可以對斷裂擴展裂紋起到一定的阻止和抑制作用。如作為高溫熱震條件下使用的耐火材料,在服役過程中,表面裂紋并不會引起材料的災難性斷裂,其損壞的原因多是由內部熱應力導致的結構剝落。當材料內部氣孔率較大時,將會縮短熱應力作用下引起的裂紋長度,同時增加裂紋數量。短而多的裂紋相互交叉形成網狀結構,增加了材料斷裂時需要的斷裂能,可以有效改善材料的熱震穩定性。普遍認為,當耐火材料的氣孔率控制在13%-20%時,具有較佳的熱震穩定性。

(2)控制原料的顆粒級配、顆粒臨界粒度和形狀

相關研究表明,材料斷裂引起的表面能和體系內顆粒尺寸的平方呈正比例關系。因此,通過在材料體系中中引入大顆粒骨料,使裂紋在大骨料附近轉向,從而改善晶間裂紋性能,可以達到提高耐火材料熱震穩定性的目的。一般來講,耐火材料中骨料的彈性模量要明顯大于基質,這種彈性模量的差異使得大顆粒骨料能夠延緩材料原有裂紋的擴展。上述彈性模量差異越大,則骨料延緩裂紋擴展作用也就越明顯。同時,骨料的形狀也是影響耐火材料熱震穩定性的重要因素。如在材料體系中添加適量的棒狀或片狀骨料均可以改善耐火材料制品的熱震穩定性。

(3)界面結合合理

由于耐火材料中骨料與基質的性能(如密度、熱膨脹系數等)差異一般較大,兩者的結合界面對熱震裂紋的擴展、轉向等影響顯著。通過選擇和預處理骨料等技術措施,在骨料與基質之間形成合適的結合界面,形成解聚、顆粒拔出、顯微開裂等耗能機制,可以抑制熱震裂紋的擴展,從而達到提高耐火材料的韌性的目的。

(4)引入或生成線膨脹系數小的物相

通過在基質中引入適量的熱膨脹性較低的材料,引起材料內部的熱膨脹不匹配,從而在耐火材料燒成過程中產生微裂紋,阻礙熱震裂紋的擴展。但上述微裂紋太多將引起微裂紋的聚合,降低試樣的力學性能。因此,要嚴格控制低熱膨脹性材料的添加量,以獲得熱震穩定性和力學性能較為均衡的耐火制品。

(5)引入或生成某種物相(例如四方ZrO2),使其在裂紋尖端發生相變,形成吸收能量機制。

通過在材料體系中各相的熱失配,使得耐火材料內部產生非災難性的破壞系統,并出現復雜的非線性斷裂行為,從而提高耐火制品的熱震穩定性。

(6)加入并均勻分散纖維或纖維狀物

通過引入纖維狀物、晶須或原位形成晶須狀物相等,并保證其均勻分散在制品中,如在澆注料中加入鋼纖維等,將會使耐火材料的斷裂所需能量增加并呈現顯著的非線性特征,進而提高材料的韌性。

(7)添加塑性或粘滯性組元

通過在耐火材料體系中添加塑性、黏滯性組分或者使制品在煅燒過程中形成高黏度的液相,利用它們的塑性變形,吸收彈性應變能的釋放量,從而提高耐火制品的韌性。如鋯英石-氧化鋯質耐火材料在煅燒過程中,通過鋯英石的分解形成ZrO2和高黏度的液相SiO2,顯著提高了耐火材料的韌性。

由上述莫來石質材料研究進展和耐火材料熱震穩定性研究概況可知,目前,莫來石質耐火材料提高熱震穩定性的主要技術途徑為添加SiC和ZrO2等,通過微裂紋和相變來提高材料韌性,但這也會影響到材料的力學強度。

 

 

 

 

 

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