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科威耐材:有效提高耐火材料抗热震性能的7种有效方法

  抗热震性是指耐火材料抵抗温度急剧变化而导致损伤的能力。曾称热震稳定性、抗热冲击性、抗温度急变性、耐急冷急热性等。

  抗热震性的测定根据不同的要求与产品类型应分别按照相应的测试方法进行测定,主要测试方法有:黑色冶金标准YB/T 376. 1—1995耐火制品抗热震性试验方法(水急冷法)、黑色冶金标准YB/T 376. 2—1995耐火制品抗热震性试验方法 (空气急冷法)、黑色冶金标准YB/T 376. 3—2004耐火制品抗热震性试验方法第3部分:水急冷-裂纹判定法、黑色冶金标准YB/T 2206.1—1998耐火浇注料抗热震性试验方法(压缩空气流急冷法)、黑色冶金标准YB/T 2206. 2—1998耐火浇注料抗热震性试验方法(水急冷法)。

  材料的力学性能和热学性能,如强度、断裂能、弹性模量、线膨胀系数、热导率等是影响其抗热震性的主要因素。一般来说,耐火材料的线膨胀系数小,抗热震性就越好;材料的热导率(或热扩散系数)高,抗热震性就越好。此外,耐火材料 的颗粒组成、致密度、气孔是否微细化、气孔的分布、制品形状等均对其抗热震性 有影响。材料内存在一定数量的微裂纹和气孔,有利于其抗热震性;制品的尺寸大、并且结构复杂,会导致其内部严重的温度分布不均和应力集中,降低抗热震性。

  有研究表明,通过阻止裂纹扩展、消耗裂纹扩展动力、增加材料断裂表面能、降低线膨胀系数和增加塑性等方式可以提高耐火材料的热震稳定性。具体技术措施为:

  适当的气孔率除了存在气孔之外,耐火材料内部骨粒和结合相之间还存在一定量的裂隙。耐火材料在断裂过程中,内部气孔和裂隙可以对断裂扩展裂纹起到一定的阻止和抑制作用。如作为高温热震条件下使用的耐火材料,在服役过程中,表面裂纹并不会引起材料的灾难性断裂,其损坏的原因多是由内部热应力导致的结构剥落。当材料内部气孔率较大时,将会缩短热应力作用下引起的裂纹长度,同时增加裂纹数量。短而多的裂纹相互交叉形成网状结构,增加了材料断裂时需要的断裂能,可以有效改善材料的热震稳定性。普遍认为,当耐火材料的气孔率控制在13%-20%时,具有较佳的热震稳定性。

  控制原料的颗粒级配、颗粒临界粒度和形状相关研究表明,材料断裂引起的表面能和体系内颗粒尺寸的平方呈正比例关系。因此,通过在材料体系中中引入大颗粒骨料,使裂纹在大骨料附近转向,从而改善晶间裂纹性能,可以达到提高耐火材料热震稳定性的目的。一般来讲,耐火材料中骨料的弹性模量要明显大于基质,这种弹性模量的差异使得大颗粒骨料能够延缓材料原有裂纹的扩展。上述弹性模量差异越大,则骨料延缓裂纹扩展作用也就越明显。同时,骨料的形状也是影响耐火材料热震稳定性的重要因素。如在材料体系中添加适量的棒状或片状骨料均可以改善耐火材料制品的热震稳定性。

  界面结合合理由于耐火材料中骨料与基质的性能(如密度、热膨胀系数等)差异一般较大,两者的结合界面对热震裂纹的扩展、转向等影响显著。通过选择和预处理骨料等技术措施,在骨料与基质之间形成合适的结合界面,形成解聚、颗粒拔出、显微开裂等耗能机制,可以抑制热震裂纹的扩展,从而达到提高耐火材料的韧性的目的。

  引入或生成线膨胀系数小的物相通过在基质中引入适量的热膨胀性较低的材料,引起材料内部的热膨胀不匹配,从而在耐火材料烧成过程中产生微裂纹,阻碍热震裂纹的扩展。但上述微裂纹太多将引起微裂纹的聚合,降低试样的力学性能。因此,要严格控制低热膨胀性材料的添加量,以获得热震稳定性和力学性能较为均衡的耐火制品。

  引入或生成某种物相(例如四方ZrO2),使其在裂纹尖端发生相变,形成吸收能量机制。

  通过在材料体系中各相的热失配,使得耐火材料内部产生非灾难性的破坏系统,并出现复杂的非线性断裂行为,从而提高耐火制品的热震稳定性。

  加入并均匀分散纤维或纤维状物通过引入纤维状物、晶须或原位形成晶须状物相等,并保证其均匀分散在制品中,如在浇注料中加入钢纤维等,将会使耐火材料的断裂所需能量增加并呈现显著的非线性特征,进而提高材料的韧性。

  添加塑性或粘滞性组元通过在耐火材料体系中添加塑性、黏滞性组分或者使制品在煅烧过程中形成高黏度的液相,利用它们的塑性变形,吸收弹性应变能的释放量,从而提高耐火制品的韧性。如锆英石-氧化锆质耐火材料在煅烧过程中,通过锆英石的分解形成ZrO2和高黏度的液相SiO2,显著提高了耐火材料的韧性。
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