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耐火材料的抗熱震性能的影響因素及提高方法

2021-08-28

耐火材料在使用過程中常涉及到溫度的急驟波動變化,從而造成耐火材料內部較大的溫度梯度以及熱應力,使耐火制品由此產生裂紋、剝落或崩損,這是爐襯損毀的主要原因之一。

耐火材料抵抗溫度的急劇變化而不破壞的能力稱為熱震穩定性。熱震一方面導致材料的強度衰減,另一方面誘發裂紋產生和擴展,加速材料的剝落和熔體對材料的侵蝕,是耐火材料損毀的主要原因之一。耐火材料的抗熱震性能與其力學性能和熱學性能有關,并受熱震條件、熱應力大小和分布、試樣的幾何尺寸以及材料結構等因素的影響。熱震穩定性是評價耐材高溫使用性能的重要指標:通常,熱震穩定性越高,使用性能越好。

一般陶瓷材料的抗熱震可分為兩大類:一類是發生瞬時斷裂,抵抗這類破壞是抗熱震斷裂?;跓釓椥粤W理論,當熱震溫差引起的熱應力超過材料固有的強度時,將導致材料瞬時斷裂。對于急劇冷卻的材料表面產生的熱應力為:

σmax=/EαΔT/(1-μ)

式中:E為材料的彈性模量。為熱膨脹系數,TΔ為熱震溫差,μ為泊松系數。此時引起臨界熱應力maxσ的臨界溫差cTΔ即是臨界溫差。

式中:fσ為材料的斷裂強度。R為急劇受熱或冷卻條件下材料的抗熱震參數。因此,可用R的大小來衡量抗熱震性的好壞。以上是從熱彈性力學的觀點出發,以陶瓷材料的熱應力與材料固有強度間的平衡為判據,給出了急冷急熱條件下的抗熱震參數。但是,此理論只考慮了材料內新裂紋的產生及材料的斷裂,而沒有考慮原有裂紋的擴展作用。根據這一理論,材料的強度越高,彈性模量、熱膨脹系數及泊松比越低,材料的抗熱震性能越好。很顯然,這與我們在耐火材料研究過程中經常會發現致密高強的耐火材料易于炸裂的情況不相適應。在研究耐火材料的抗熱震問題的時候,必須考慮到耐火材料內原有裂紋的擴展作用。另一類是基于斷裂力學概念,以熱彈性應變能UE和材料斷裂表面能US之間的平衡條件作為熱震破壞判據的抗熱震損傷性理論。在熱沖擊循環作用下,材料表面開裂、剝落并不斷擴展,以致最終碎裂而破壞。對于抗熱震損傷熱應力引起的裂紋越多,則裂紋的面積越大;裂紋面積愈小,材料的抗熱震損傷能力愈強,其倒數可作為一種抗熱震損傷參數:式中:γ,為斷裂表面能。"R代表材料抵抗短裂紋擴展而引起損傷的能力。

對一系列斷裂能γ相當的材料進行對比時,γ可視為常數,于是得到另一個抗熱震損傷參數:R'''實際上與彈性應變能成反比。熱彈性力學的著重點是裂紋的成核問題,而抗熱震損傷理論所關心的是裂紋的擴展問題。陶瓷材料在經受熱震后,材料內部的裂紋產生以及擴展并不一定導致材料的最終斷裂。在裂紋的擴展過程中,當彈性應變能全部釋放而轉變為材料內新生裂紋表面能的增加時,裂紋的擴展就終止了。

高溫工業對耐火制品的熱震穩定性指標重視程度越來越高,尤其是對使用在溫度變化頻繁且溫差較大的環境中的耐火制品,提出了嚴格的要求。為了改善和提高耐火制品的熱震穩定性,可采用如下方法:

(1)耐火制品中適當的氣孔率

耐火材料表面的裂紋并不會立即引起斷裂,嚴重的是由內部熱應力引起的熱剝落和斷裂。當適當增加氣孔率時,在熱沖擊作用下,制品內部裂紋長度變短,數量有所增加,裂紋相互交錯形成網狀的程度增強,因此制品斷裂時需要的斷裂能增加,可有效地提高制品的熱震穩定性。有人認為,為了提高材料的熱震穩定性,耐火制品的最佳氣孔率應控制在13~20%。

(2)控制原料的顆粒級配并選擇低膨脹、高導熱的原料要獲得較大的裂紋密度及較高的裂紋網絡程度,就要求配料減小臨界粒度和控制粒度分布。如在MgO-Cr2O3磚配料中>1mm顆粒含量控制在3~8wt%時,該制品經1100℃水冷25次仍不剝落。當然,在設計耐火材料原料的顆粒配比時,在考慮抗震穩定性的同時,這要兼顧其它的力學性能。采用熱膨脹系數小的耐火原料如熔融石英、鈦酸鋁、堇青石、Molochite以及高導熱原料如碳化硅、氮化硅、石墨、氮化硼、Sialon等都是改善耐火材料抗熱震穩定性的有力的技術措施。

(3)增加微細裂紋并形成網絡結構

利用耐火制品顆粒和基質熱膨脹系數不一致的特性以及相變的體積效應,使制品內產生微細裂紋,對抵抗制品災難性破壞(熱剝落或斷裂)作用顯著。如在剛玉耐火制品中引入6~9wt%質量分數的ZrO2,氣孔的數量控制在14%左右,可以顯著地提高剛玉磚的抗熱震性能。紅柱石、硅線石、藍晶石是改善耐火制品熱震穩定性的添加劑,三種原料往往配合使用,作為基質中的成分。在干熄焦爐用致密黏土磚中加入少量硅線石精礦粉和莫來石砂,該制品的熱震穩定性由3~5次提高到10~15次。在窯具制品中添加三石的作用也很明顯。(4)添加纖維或晶須對耐火材料增強增韌

纖維(或晶須)在耐火材料中具有突出的拔出和橋聯效應,在不犧牲或少犧牲一些強度的前提下,能較多地提高耐火材料的斷裂韌性。纖維(或晶須)對耐火材料主要的增強增韌機制有:纖維的拔出增韌、纖維橋聯增韌、裂紋偏轉增韌。纖維拔出效應是指在裂紋擴大時纖維或晶須在外界荷載的作用下從基體中拔出的現象。因為界面的摩擦要消耗能量,纖維或晶須的拔出可減弱裂紋擴展的動力,具有增韌效果。橋聯作用是指在基體開裂源纖維和晶須承受外界荷載,在開裂的裂紋面之間架橋,對基體產生了閉合應力,從而減弱了應力場強度因子,達到增韌的目的。裂紋的偏轉增韌是指裂紋尖端遇到纖維或晶須時偏離原來的擴展方向,增加了斷裂表面,從而導致耐火材料韌性的提高。在耐火材料工業中,用以增強增韌的纖維或晶須有:普通硅酸鋁纖維、莫來石和鋯莫來石纖維、Al2O3纖維、耐熱合金鋼纖維以及SiC晶須,Si3N4晶須等。耐火材料的抗熱震性問題是很復雜的,至今未能建立起一個十分完善的理論。因此,任何試圖改進耐火材料措施和途徑,必須和實際經驗相結合。


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