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        中能技術

        氣孔率對耐火澆注料的重要性你必須要了解

        文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2021/3/24     瀏覽次數:    
        材料中氣孔體積與材料總體積之比,有真氣孔率,封閉氣孔率和顯氣孔率之分,通常在我國耐火材料界中稱氣孔率即指顯氣孔率。耐火材料中的氣孔大致可分為三類:閉口氣孔、開口氣孔、貫通氣孔。通常,將上述3類氣孔合并為兩類,即開口氣孔(包括貫通氣孔)和封閉氣孔。顯氣孔率是指材料中所有開口氣孔的體體積密度是耐火材料的干燥質量與其總體積(固體、開口氣孔和閉口氣孔的體積總和)的比值,即材料單位體積的質量,用g/cm3或kg/m3表示。
        致密定形耐火制品體積密度應按國家標準GB/T2997—2000進行測定。定形隔熱耐火制品體積密度應按國家標準GB/T2998—2001進行測定。致密耐火澆注料體積密度應按YB/T5200—1993進行測定。
        氣孔率是多數耐火材料的基本技術指標,它幾乎影響耐火制品的所有性能,尤其是強度、熱導率、抗侵蝕性、抗熱震性等。一般來說,氣孔率增大,強度降低,熱導率降低,抗侵蝕性降低。
        耐火澆注料是一種由粒狀和粉狀耐火物料按一定組成配料,外加一定量結合劑和水,經攪拌、振動澆注成型的不定形耐火材料,它廣泛應用于冶金、玻璃、水泥、石化、能源等高溫行業。耐火澆注料在成型、熱處理過程中的脫水和燒結階段都不可避免地會產生氣孔。據統計,在致密耐火澆注料中,基質占澆注料總體積的25%,而氣孔約占基質總體積的10%,可見,氣孔是基質顯微結構的重要組成部分。氣孔結構參數包含了非常豐富的內容,如氣孔率、氣孔的形狀與分布、氣孔尺寸與孔徑分布、氣孔孔容等,它們都在很大程度上決定著耐火澆注料的力學和熱學性能。在本文中,主要介紹了氣孔率、氣孔尺寸和孔徑分布3項氣孔結構參數對耐火澆注料強度、熱導率、熱膨脹系數、抗渣性和抗爆裂性等性能影響的研究進展。
        1 氣孔率和孔徑分布對澆注料強度的影響
        澆注料經高溫熱處理后,其基質與骨料間的結合將由先前結合劑提供的水化或凝聚結合轉變為因燒結而形成的陶瓷結合,而陶瓷相材料的通性則是質脆和理論強度大,但因其內部存在雜質、氣孔等多種缺陷而導致實際強度小很多。事實上,氣孔不僅減小了承受負荷的面積,而且在氣孔鄰近區域產生應力集中,從而減弱了材料的負荷能力。
        耐火澆注料的孔徑指的是澆注料內部孔隙的名義直徑,一般都有平均或等效的意義,其表征方式有最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布等??讖椒植际菨沧⒘蠚饪捉Y構參數中除氣孔率之外的另一項重要內容。耐火澆注料的強度不僅受氣孔率的影響,同時也受到氣孔的大小和形狀等因素的影響。
        2 氣孔率對耐火澆注料熱導率的影響
        耐火澆注料中氣孔對熱導率的影響較為復雜。當氣孔率不大,氣孔尺寸很小,又均勻分散在澆注料介質中時,可把氣孔看作澆注料連續相中的分散相。因此,在溫度不太高時,熱導率λ仍可按WDKingery提出的復相材料熱導率公式來計算:
        相關文獻也證明,高鋁質耐火材料導熱率隨總氣孔率或顯氣孔率的增加呈指數關系下降。這同時也是輕質隔熱澆注料、硅酸鹽纖維制品和空心球輕質陶瓷制品等的保溫原理。
        3 氣孔率對耐火澆注料熱膨脹系數的影響
        固體材料的熱膨脹本質上可歸結為點陣結構中質點間的平均距離隨溫度升高而增大的現象。由于在晶格振動中相鄰質點間的作用力是非線性的,質點在其平衡位置兩側受力并不對稱,溫度越高,質點受力不對稱的情況越顯著,相鄰質點間平均距離增加得越多,以致于晶胞參數增大,晶體膨脹。由于耐火澆注料熱處理后為陶瓷相結合,因此,固體材料的熱膨脹理論同樣適用于它。影響材料熱膨脹系數的因素有很多,如材料本身的化學礦物組成、晶體結構及晶型轉換、鍵強度、微應力、外界溫度、內部結構的緊密程度等,但其與氣孔率之間相關關系的報道卻并不多。已有的研究表明:氣孔率對材料熱膨脹性能的影響很大程度上取決于氣孔在材料中的分布狀態,而與氣孔率的大小關系不大。
        4 氣孔率和氣孔尺寸對耐火澆注料抗渣性能的影響
        抗渣性能就是指耐火材料在高溫下抵抗熔渣侵蝕和沖刷作用而不被破壞的能力,是衡量材料抗化學侵蝕和機械磨損的重要指標。熔渣對澆注料的侵蝕表現在對表面的溶解作用和對材料內部的滲透,而熔渣對澆注料的滲透會擴大反應面積和深度,使材料表面附近的組成和結構發生質變,形成溶解度高的變質層,導致損壞加速。故在澆注料材質相同的情況下,其基質顯微結構成為其抗渣性能好壞的關鍵。郁國城和陳肇友指出,爐渣侵入耐火材料的途徑有:毛細管通道、晶界、材料內部雜質形成的液相渠道網和晶格,而其中沿毛細管通道滲入是最為重要的。耐火澆注料中的開口氣孔可視為毛細管,是熔渣侵入的通道。
        澆注料的開口氣孔率越高,熔渣侵入速度就越快,侵入比率與氣孔率約成正比。在耐火澆注料中,基質部分的氣孔占總氣孔的大部分,因此基質比骨料容易被侵蝕,從而使骨料裸露,反應面積也增大,并逐漸脫離而被沖蝕,加速了熔損。
        同時,即使澆注料的氣孔率相同,但氣孔的大小等不相同,其侵蝕速度也會發生變化。前田榮造認為,堿性耐火材料中的渣滲透受毛細管中的黏性流動支配。根據Hagen-Poiseuille流體公式,直徑在1μm以上的氣孔就會引起渣浸透。因此,為了抑制渣在耐火材料基質中的滲透,其有效手段是盡可能地使材料維持細孔徑水平。賀智勇等在研究減少中間包渣在涂料中的滲透途徑時建議,在涂料生產時盡量選取直徑小的有機纖維來提高涂料的抗滲透性,同時在不增大涂料體積密度的前提下調整涂料的顆粒級配,盡量使涂料氣孔微細化。
        5 氣孔率和氣孔尺寸對澆注料抗爆裂性能的影響
        數十年來,耐火澆注料的烘烤工藝一直是工業生產中受關注的一個問題。澆注料在烘烤中發生突發性脫落的主要原因是游離水在100℃沸騰,產生帶壓氣體而未及時排出。如果澆注料的結構顯示出低透氣性,則蒸汽產生的速度比其從氣孔釋放出來的速度要快;當形成的壓力超過結合劑所提供的極限強度時,就會導致澆注料的機械損壞??梢?透氣性是影響澆注料干燥速度和加熱過程中開裂靈敏度的一個主要參數。
        提高澆注料透氣性最成功的方法一直是在澆注料的組成中添加聚丙烯、聚合葡萄糖酐纖維素、偏阿拉明等有機纖維,通過纖維燒掉形成的通道為蒸汽釋放提供較快且較短的途徑。由于很難測定在升溫脫水過程中澆注料的透氣性能,因此,通常都以室溫時測定的試驗數據作參考。為獲得更符合實際的水蒸氣逸散機制,日本學者通過對氧化鋁系、鋁礬土系和黏土系耐火澆注料進行爆裂試驗和干燥試驗,采用渦流模型對澆注料的水蒸氣散逸機制進行了微觀分析,認為在實際澆注料中,大氣孔之間是由小氣孔連接起來的,如圖2的模型所示。
        結 語
        耐火澆注料從剛研發時僅用作某些定形爐襯的修補料到目前大面積替代定形制品而直接用于各種爐窯,其材質、結合系統和施工方式都發生了日新月異的變化。但這些都體現在其工藝技術的進步方面,而有關基質顯微結構尤其是氣孔結構參數對澆注料力學和熱學性能影響的研究則仍處于落后階段,具體體現在以下兩方面:
        (1)對基質微細化后氣孔結構特征的研究不充分,大多局限于氣孔率這一參數,尚未開展對其他氣孔結構參數定量化表征的研究工作;
        (2)缺少基質氣孔結構對耐火澆注料物理性能影響的深入研究,尚未開展基質氣孔結構參數與澆注料力學、熱學性能相關性的定量研究。今后的工作有必要通過對耐火澆注料基質氣孔結構進行定量化表征的途徑來建立其與澆注料熱學、力學性能的相關性,確定不同氣孔結構參數對材料物理性能影響的敏感程度,從而對耐火澆注料中基質顯微結構微細化的作用與意義有更理性的認識;另一方面,也可能為耐火澆注料基質結構的優化設計提供理論依據,這對推動耐火澆注料的技術進步具有重要意義。
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