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提高耐火材料热震稳定性的方法

发布日期: 2020-05-08 09:16:45    阅读量(120)    作者:刘洋

耐火材料抵抗温度的急剧变化而不破坏的性能成为热震稳定性,此种性能也成为抗热震性或温度急变抵抗性,它是材料力学性能和热学性能对受热条件的综合反应。众所周知,硅砖受急冷急热容易产生裂纹、开裂,镁砖易于剥落,通常被成为热震稳定性低的材料或抗热震性小的材料。反之,镁碳砖等受急冷急热时,不容易产生裂纹、开裂,则为热震稳定性高或抗热震性大的材料。

耐火材料是非均质的脆性材料,与金属制品相比,由于它的热膨胀率较大,热导率和弹性较小、以及抗张强度低等,抗热应力而不被破坏的能力差,导致其抗热震性较低。材料的热震破坏可分为两大类;一类是瞬时断裂,称为热冲击断裂;另一类是在热冲击循环作用下,先出现开裂,剥落,然后碎裂和变质,终至整体损坏,称为热震损伤。基于这两种理论,有以下两种表征热震稳定性的参数:

(1)抗热震断裂

①急冷集热时,当σmax值超过材料的强度极限σf时,即可导致开裂。从而材料所能承受的最大安全温度差即临界温差ΔTc为

显然ΔTc值越大,说明材料能承受的温度变化也愈大,即抗热震愈好,故得到抗热震参数R为:

材料因出现热应力而破坏,不仅与热应力的大小有密切关系,而且还与材料中应力的分布、产生的速率和持续时间、材料的特性和结构等因素有关,因此R仅在一定程度上反映材料抗热冲击性的优劣,并不能简单地认为就是材料允许承受的临界温度差,只能看做ΔTc与R有一定关系。

②缓慢加热冷却时,在此条件下的临界温差ΔTc为:


式中R’=R·λ称为抗热震参数。适用于当材料的内部和外部与环境的温度差相接近并形成稳定温度分布时,用以比较材料的抗热震性。

(2)抗热震损伤

从断裂力学的观点出发,分析材料在温度变化条件下的裂纹成核、扩展及抑制等动态过程,以弹性应变能和断裂能之间的平衡作为热震损坏的微裂纹,在热震环境中出现的裂纹核亦不总是立即导致材料的断裂。当材料中可能积存的弹性应变能小,而使裂纹扩展成新断裂面所必须的断裂表面能大时,则材料的抗热震性好。因此材料的抗裂纹扩展能力正比于断裂表面能,反比于弹性应变能。此时抗热震损伤参数具有下列形式:


在对一系列断裂能γ相当的材料进行比较时,γf可视作常数。于是,得出抗热震损伤参数:


根据以上分析可以得出结论,抗热震损伤性能好的材料应具有较高的弹性模量和较低的强度,提高其断裂能和改善其断裂韧性显然更是有益的,适量的微裂纹催在于耐火材料中将为抗热震损伤性能的提高作出贡献。

材料的热学性能和力学性能(如热导率、热膨胀系数、强度、弹性模量等)对其抗热震性能有着重要的影响,提高材料热震稳定性的方法有:

①材料的抗热震性能主要取决于其热膨胀系数α,低膨胀系数的材料往往具有优良的热震稳定性;

②材料的热导率λ,将有利于材料的热传递,缓解了内外温差,降低热应力的大小;

③提高材料的抗折强度σ且减小弹性模量E,将使σ/E提高,能吸收较多的弹性应变能而不致开裂。

此外,降低材料的弹性模量E,会降低由于温差所产生的热应力。

王文平研究了不同耐火材料的性能,之后提出了5个提高耐火材料热震稳定性的方法。

1、控制耐火材料保持适当的气孔率,有助于增加制品的断裂能,改变裂纹扩展时的路径;

2、控制颗粒的临界粒径及粒径分布,可得到较大的裂纹密度,形成网络状的裂纹分布;

3、通过调整具有不同热膨胀系数的颗粒剂基质,使得制品内部产生微裂纹,形成微裂纹增韧;

4、选择合理的界面结合,使得颗粒和基质之间形成适当的结合强度,形成颗粒拔出、显微开裂等能耗机制;

5、在制品中添加“三石”等膨胀剂,利用其热膨胀系数的差异,形成微裂纹。

何宜柱测试了堇青石基陶瓷材料的弹性模量及抗折强度等性能,研究了不同的抗热震参数,结果表明,适合于 R'''' 抗热震参数适合于评价堇青石基陶瓷材料的热震稳定性。

王刚为了更好的评价含碳耐火材料的热震稳定性,根据R''''、Rst抗热震损伤的参数,研究了断裂功、气孔率、弹性模量等对热震稳定性的影响,结果表明,提高断裂功将有助于含碳耐火材料的热震稳定性。

刘波等人,选用碳黑及天然鳞片石墨等为原料,研究了颗粒级配、复合抗氧化剂、石墨粒度和复合结合剂4个因素对低碳镁碳砖热震稳定性的影响,结果表明,颗粒级配对低碳低碳镁碳砖的热震稳定性影响最大。

有学者在镁碳砖中添加特殊石墨取代普通鳞片石墨,研究其对抗折强度、弹性模量、断裂能、热震稳定性的影响。结果表明,添加了特殊石墨的镁碳砖其弹性模量降低,断裂能增加,使得其具有更好的热震稳定性。

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