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材料的组织结构、矿物组成、化学组成、生产工艺等对材料的抗折强度,特别是高温抗折强度都有决定性的影响。通过选用高纯原材料、控制浇注料颗粒的合理的尺寸级配、控制加水量、使用优质且与基质相匹配的结合剂及提高制品的工艺流程,均可提高材料的抗折强度。
国家标准GB/T3001-2000规定了定形耐火制品常温抗折强度的试验方法。其原理是:在室温下以一定的加荷速率对试样施加应力直至断裂。
常温抗折强度按下式计算:
3FmaxLsRe? (2-4)
2bh2式(2-4)中 Re——常温抗折强度,MPa; Fmax——对试样施加的最大压力,N; Ls——下刀口间的距离,mm; b——试样的宽度,mm; h——试样的高度,mm。
国家标准GB/T3002-1982还规定了耐火制品高温抗折强度试验方法。其要点是,以一定的升温速率加热试样到试验温度,保温至试样达到规定的温度分布,以一定的加荷速率对试样施加张应力,直至试样断裂。
耐火制品高温抗折强度的计算公式与常温抗折强度计算公式相同。
本试验中采用全自动抗折试验机,下刀口间的距离为100mm,试样截面边长40mm,可自动将对试样施加的最大压力换算为强度。
摆放好试块后,在电脑上打开抗折试验界面,调节合适的加压速率(一般为0.15KN/s),点击“开始试验”,则开始加压,直到试样折断后,试验自动停止,记录下界面上显示的数据。
(5) 耐压强度(力学性能)
耐压强度是耐火材料在一定温度下单位面积上所能承受而不被破坏的极限载荷,耐火材料的耐压强度分为常温耐压强度和高温耐压强度。常温耐压强度是指制品在室温下所能承受的极限载荷;高温耐压强度是指制品在指定的高温条件下进行加压试验所能承受的极限载荷。
常温耐压强度可以表明材料的烧结情况以及与其组织结构相关的一些性质,另外,通过常温耐压强度可间接地评判其他性能,如耐磨性,耐冲击性等。
耐火材料的常温耐压强度与材料本身的材质有关,但生产工艺方法对它也有很大的影响。高的常温耐压强度说明材料的生坯压制质量和砖体烧结情况均良好。常温耐压强度与体积密度和显气孔率也有关系,体积密度越大,气孔率越低,其常温耐压强度也就越高。因此,能够提高材料体积密度的生产工艺,也是有利于提高材
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料常温耐压强度,如使用致密、烧结良好的原料,合理的颗粒级配,高压成型,高温烧成并适当延长保温时间等措施。
高温耐压强度的数值能够反应材料在高温条件下结合状态的变化,尤其对于不定形耐火材料,由于掺加了一定数量的结合剂,温度升高,结合状态也就发生了变化,更需要测定其高温耐压强度。
测定致密定形耐火制品的常温耐压强度,根据国家标准GB/T5072-1985,其做法是:在室温下,用压力试验机以规定的速度,对规定尺寸的试样加荷,直至试样破碎。根据所记录的最大载荷和试样承受载荷面积,计算常温耐压强度。公式如下:
P S常? (2-5)
AA1?A2A? (2-6)
2式(2-5)和(2-6)中 S常——试样的常温耐压强度,MPa; P——试样破碎时的最大载荷,N; A——试样受压面积,mm;
A1、A2——试样上、下受压面的面积,mm。
耐火浇注料高温耐压强度的试验方法,可按照黑色冶金行业标准YB/T2208-1998试验方法进行,试验要点是:以规定的升温速度加热试样到试验温度,保温至试样达到均匀的温度,以规定的加荷速率对试样施加载荷,直至试样破坏。高温耐压强度的计算公式与常温耐压强度的公式相同。
本试验中采用液压式压力试验机(附录中图1(b))测定常温耐压强度,试样受压面积为40mm×40mm。测得的数值均为试样破碎时的最大载荷,需经过换算得到各种配方在不同加热温度下试样的常温抗压强度值。
(6) 抗热震性(使用性能)
抗热震性是指耐火材料抵抗温度急剧变化(急热急冷)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。耐火材料的抗热震性是其力学性能和热学性能在温度变化时的综合表现。
影响耐火材料的抗热震性的因素非常复杂。根据材料抗热震断裂及抗热震损伤的相关理论,耐火材料的力学和热学性能,如强度、断裂能、线膨胀系数、弹性模量、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越小,抗热震性就越好;材料的热导率(或热扩散率)越高,抗热震性就越好。但是强度、断裂能、弹性模量对于抗热震性的影响,则与材料原来是否存在微裂纹和裂纹的扩展等因素有关。此外,耐火材料的颗粒组成、致密度、气孔的分布、气孔是否微细化、制品形状等均对其抗热震性有显著影响。如果材料内部存在一定数量的微裂纹和气孔,有利于提高其抗热震性。制品的尺寸大并且结构复杂,会致使其内
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部存在严重的温度分布不均及应力集中,降低抗热震性。
改善材料抗热震性的工艺措施如下:
① 原料及外加剂的选择:尽量选用线膨胀系数较低、热导率较高的材料,在不影响材料其他性能的情况下,加入线膨胀系数较低、热导率较高的外加剂;
② 材料微观结构的优化:如在材料中引入第二相或第二种材料(氧化锆),利用其相变产生微裂纹的现象达到增韧的目的;
③ 在满足使用条件的情况下,尽量制造尺寸小、形状简单的制品。
对不同种类的耐火材料,抗热震性的检测方法也不同,主要包括水急冷法和空气急冷法。
测定耐火浇注料的抗热震性,可分别按照黑色冶金行业标准YB/T2206.1-1998(压缩空气流急冷法)和YB/T2206.2-1998(水急冷法)进行。
本试验中,将加热炉预加热到1000℃±10℃,保温15min后,迅速将试样移入炉膛中。试样与试样的间距不小于10mm。试样入炉后,炉温就会随之降低,然后逐渐恢复到试验温度并继续保温20min。试样急热后,迅速将其受热端浸入3~5℃流动的水中,深度为50mm±5mm,调节流水量,使流入和流出水槽的水,温升不大于10℃。试样在水槽中急剧冷却3min后立即取出,在空气中放置时间不少于5min。试样取出时立即关闭炉门,使炉温恢复试验温度[11]。反复进行上述冷热交替过程3次。
2.2.4结果与讨论
(1)对于各组的气孔率,每组内部,按110℃、1000℃、1400℃顺序,气孔率大体呈现先增后降的趋势,这说明制品随着温度的提高水分逐渐减少,原来水分子的位置被空气分子代替,但当温度继续升高,制品会变得可塑,又会排除部分的空气使制品变得致密些,各组的密度及显比重按110℃、1000℃、1400℃的顺序大致呈现逐渐降低的状态,这说明110℃烘烤后的制品虽说其强度不是最高,但其致密度相对来讲是较高的,但总体来讲,其数值差距不大;
(2)组与组之间相比较,其气孔率最小的三组是第一组(10.57%)、第二组(11.11%)、第十四组(15.50%),气孔率最小代表其密度和显比重是最大的,致密度高,也可以从一定方面反映其强度是较高的;
(3)对于抗折强度,每组内部,按110℃、1000℃、1400℃顺序,第一组、第二组、第八组呈现先降后增的趋势,其余各组均呈现逐渐增加的趋势,这说明大体来讲随着温度的提高,制品的强度逐渐增加;
(4)组与组之间相比较,其常温抗折强度最高的三组是第一组(8.51MPa)、第二组(7.17 MPa)、第十一组(4.9 MPa),其中第一组常温的制品抗折强度最高,
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其加入的结合剂是S71,具有较好的常温效果;其1000℃的抗折强度其效果最好的是第三组(5.53 MPa)、第十二组(5.46 MPa),第三组加入的是保定结合剂,而第十二组加入的是保定结合剂和S71的复合结合剂;其1400℃的抗折强度其效果最好的是第二组(12.36 MPa)、第一组(11.34 MPa)、第三组(10.86 MPa),第二组加入的是CA75,而第一组加入的是S71,而第三组加入的是保定结合剂;
(5)对于耐压强度,每组内部,按110℃、1000℃、1400℃顺序,第十二组与第十三组是先增后减,其余各组都是逐渐增加的,这说明大体来讲,随着温度的提高,制品的耐压强度逐渐增加;
(6)组与组之间相比较,其常温耐压强度最高的三组是第一组(81.5KN)、第二组(78.5 KN)、第十二组(45.5 KN),第一组加入S71做结合剂,第二组加入CA75做结合剂,第十二组则加入保定结合剂和S71的复合结合剂;其1000℃的耐压强度其效果最好的是第一组(112.8 KN),第三组(110.5 KN)、第十二组(93.7 KN),第三组加入的是保定结合剂;其1400℃的耐压强度其效果最好的是第一组(170.4 KN)、第三组(150.8 KN)、第二组(140.2 KN);
(7)对于1000℃的线变化率,其中最小的四组是第一组(0.173%)、第三组(0.200%)、第十组(0.217%)、第十二组(0.225%),其中第十组加入的结合剂是德国司马公司的结合剂和S71;对于1400℃的线变化率,其中最小的三组是第十组(0.505%)、第二组(0.563%)、第八组(0.610%),其中,第二组加入的是CA75,第八组加入的是结合剂是德国司马公司的结合剂和S71;
(8)对于各组制品的1000℃热震性能测试,共做了十次,附录中有照片,结果较好的是第一组和第二组;
(9)对于高温抗折性能测试,由表中数据可知,效果最好的是第三组(1270N即4.01MPa)、第四组(1122N即3.29MPa),其中第三组和第四组均加入保定结合剂,只是加入的量有所不同。
(10) 讨论
窑口用耐磨浇注料在未烧结前,受到熟料以及携带熟料砂粒的二次风的高速冲刷,所以含有SiC较多的耐磨浇注料可能在早期使用时容易磨损。1400℃×3h加热后的线变化、常温抗折强度和常温抗压强度表明浇注料烧结良好,并且随SiC的加入,线变化减小、常温抗折强度和常温抗压强度均有所增加,这是因为SiC在加热过程中发生氧化,最终生成SiO2可能形成液相,促进耐磨浇注料的烧结。但是加入SiC过多时,高温条件下可能在浇注料表面形成过多的液相,反而使浇注料的表面强度降低,从而降低耐磨性。在实际生产中,大型水泥回转窑的窑口用耐磨浇注料在点火后使用几个小时就会挂上窑皮,阻止了O2的进入。未完全氧化的SiC粒子四周产生了部分微裂纹,在高温条件下将产生颗粒增强和增韧作用,这种现象对浇
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