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影响刚玉耐火浇注料的高温体积稳定性和热震稳定性的主要因素

发布日期: 2020-05-08 09:02:32    阅读量(118)    作者:

刚玉耐火浇注料的高温体积稳定性

高温体积稳定性是耐火材料在使用过程中,由于受热负荷的作用,其外形体积或者线性尺寸保持稳定不发生变化(收缩或者膨胀)的性能。对于浇注料来说,通常用其加热线变化(烘干线变化和烧后线变化)来表示其高温体积稳定性的大小(∆L=(L1−L0)L0⁄×100%)。

浇注料的加热线变化率与很多因素有关,比如:原料的不同、添加剂的不同、热处理制度的不同都会导致耐火材料的加热线变化的不同。

相应地,可以采取一些措施来抑制材料本身在升温过程中的由化学反应或者晶型转变带来的不利的体积变化,从而降低其线变化,改善其高温体积稳定性。例如,用合适的原料或添加某种添加剂、制定合理的烘烤制度,可以避免或抑制产生较大体积变化的化学反应或晶型转变或者抵消一些体积变化,从而降低浇注料的线变化。

AuvrayJM等通过超声波高温测量的方法研究了基于CaO-Al2O3和CaO-Al2O3-MgO体系的高铝耐火材料混凝土的微结构演化。研究通过特定的超声波方法测量这些基质从室温到1550℃的弹性行为。

图1浇注料基质随温度升高的热膨胀与弹性系数演变

如图1所示,浇注料的线变化与其内部的脱水机理有关。室温下,亚稳态的CAH10、C2AH8和Al2O3先在浇注料中形成,随着时间和温度的变化,其转化为C3AH6和Al2O3的转化过程中也伴随着一定的体积变化:CAH10到C2AH8/Al2O3有-37%的体积变化,CAH10到C3AH6/Al2O3有-53%的体积变化,因此浇注料的线变化降低。

随着温度的升高,C3AH6逐渐脱水,与AH3形成C12A7。之后更高的温度下C12A7会与Al2O3反应生成CA物相,此过程伴随着-1.14%的体积变化。

在1100℃左右,CA2的生成伴随有+13.6%的体积变化。1400℃时CA6的生成伴随有+3%的体积变化。因此,浇注料中物相的转变对浇注料的高温体积稳定性有一定的影响。

刚玉耐火浇注料的热震稳定性

耐火材料承受温度的急剧变化而抵抗破坏的能力称为热震稳定性,也称为抗热震性、抗温度急变性、耐急冷急热性等。热震作为导致耐火材料损毁的主要原因之一,会使材料的强度衰减和诱发裂纹产生和扩展,加速材料的剥落和熔体对耐火材料的侵蚀。因此,热震稳定性是浇注料极其重要的性质。然而,由于浇注料是非均质的脆性材料,热膨胀率较大,热导率和弹性较小,抗热应力的能力差,因此其热震稳定性较差。

改善浇注料的热震稳定性十分重要,方法有:

(1)改善原料颗粒组成:选用强度高和弹性模量低的原料,比如烧结致密的细晶粒状态一般比缺陷裂纹较多的粗晶粒具有更高的强度,因此细晶粒的热震稳定性比粗晶粒要好。

(2)改变制品形状:选用结构较小并且简单的制品,其内部应力较集中,有利于热震稳定性的提高。

(3)改变制作工艺:在制作制品时,适当增加其气孔率或者增加其微裂纹,使制品内裂纹交错,形成网状结构,起到吸收热应力、提高制品热震稳定性的效果。

(4)优化制品的微观结构:在材料中引入第二相或者第二种材料,制品内部形成不均匀结构,从而达到了增韧的效果,改善了材料的热震稳定性。

FuhrerM等研究了铝酸钙水泥结合浇注料的微观结构发展。研究表明,在1300℃以上时,CA6形成在板状氧化铝颗粒的中间,尤其在接近表面的区域。因此,CA6可以形成网状结构,用来结合骨料和基质,从而提高热震稳定性。

图 2浇注料热震后的残余强度与残余强度保持率

LiZG等研究了纳米碳酸钙对刚玉质浇注料的热震稳定性的影响。图2为不同纳米碳酸钙和铝酸钙水泥加入量的浇注料试样经热震后的残余强度与残余强度保持率。

图2中,C0为没有加入纳米碳酸钙和铝酸钙水泥的浇注料试样;试样C1、C2、C3、C4和C5,铝酸钙水泥加入量都为0%,纳米碳酸钙的加入量分别为0。4%、0。8%、1。2%、1。6%和2。0%;试样CA1、CA3和CA5,纳米碳酸钙加入量为0%,铝酸钙水泥的加入量分别为0。75%、2。25%和3。75%。当纳米碳酸钙的加入量从0%增加为1。6%时,浇注料试样的残余强度保持率也增加;当纳米碳酸钙的加入量继续增加到2。0%时,残余强度保持率稍微出现了下降。当铝酸钙水泥的加入量从0%增加为3。75%时,浇注料试样的残余强度保持率出现了明显的增加。

结果表明,在浇注料中加入纳米碳酸钙和铝酸钙水泥都会提高浇注料的热震稳定性。

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