耐火澆注料爆裂理論研究及應用實踐

黃育飛， 王戰民， 曹喜營， 韋紅波

(1.河池學院物理與機電工程學院， 廣西 宜州 546300；2.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司，先進耐火材料國家重點實驗室， 河南 洛陽 471039；3.柳州共和耐火材料有限公司， 廣西 柳州 545002)

耐火澆注料在使用前的烘烤為其生產過程中重要的一環，澆注料烘烤制度制定合理與否決定其坯體烘烤的好壞，進而直接影響其使用性能、廠家的生產過程及經濟效益。傳統的澆注料烘烤制度的制定通常簡單強調控制兩個節點：100～150 ℃與250～350 ℃[1]，即自由水的排除與結晶水的排除，但據此確立的烘烤制度在烘烤過程中時常發生澆注料坯體的剝落甚至爆裂，如圖1所示。因此對澆注料烘烤制度的制定還需根據其損壞的原因，合理分析烘烤過程中澆注料物性變化，嚴格制定其烘烤制度。本文結合試驗組對澆注料爆裂機理的研究，對某耐火公司生產的加熱爐燒嘴烘烤制度進行調整與試驗研究，以期制定更為合理的烘烤曲線。

圖1 澆注料預制件爆裂后圖示

1 爆裂原因分析

澆注料爆裂主要為兩方面原因所致，一是烘烤時內部產生的蒸氣壓力，二是因溫度梯度所引起的內部熱應力。

1.1 蒸氣壓力致爆裂

蒸氣壓力致爆裂的機理主要是耐火制品中自由水、結合水等在烘烤過程中蒸發，在坯體內部產生帶壓氣體，如制品透氣性差，或加熱速率過快，產生的蒸氣無法及時排除而聚集形成的壓力超過制品的極限強度時，將導致耐火制品機械性破壞，甚至粉碎性炸裂。

耐火材料烘烤時其內部蒸氣壓力的形成不能簡單用水和蒸汽的溫度- 壓力關系來說明(如圖2)，綜合文獻記錄可知原因如下[2-5]：

(1)耐火澆注料內部蒸氣壓力升高機制：烘烤過程中的耐火澆注料內部存在飽和水蒸汽阻隔墻效應，受飽和層的阻隔，水蒸氣不能快速向內遷移，只得進入加熱層，被進一步加熱升溫，體積急劇增加至上千倍，從而在澆注料內部形成很高的蒸氣壓力；

(2)蒸氣壓力爆裂機理的影響因素：主要有形成的水蒸氣壓力大小、水(氣)排除的方式、坯體強度、內部結構及透氣度。

圖2 水和蒸汽的溫度- 壓力關系圖

1.2 熱應力致爆裂

澆注料烘烤過程中內部熱應力的作用機理可理解為制品在烘烤時內部顆粒周圍產生兩向或三向熱應力，由于澆注料本身為一復雜非均質系統，熱應力隨著溫度梯度的升高而升高，進而在顆粒或其周圍薄弱處形成微小但能量較高的裂縫，當達到某一值時，或與孔蒸氣壓力等其它因素結合在一起，形成比制品自身抗拉強度更高的拉應力，從而導致破壞的發生[6-8]，詳見圖3。熱應力致爆裂理論的試驗研究目前還存在較大困難，主要通過有限元數值仿真技術研究分析定型耐火制品高溫下的溫度場與熱應力分布[9-12]。Volkov-Husovic[13]等人通過仿真分析研究了耐火材料抗熱沖擊性時的熱應力作用方式，建立了熱應力場，找到了通過線性應力分析評價材料抗熱震性的方法。K.N Sing[14]使用測量耐火材料的溫度梯度進行有限元分析計算出熱應力，提出通過降低升溫速率可有效防止材料剝落與斷裂。A.G.Lanim[15]對陶瓷耐火材料熱殘余應力進行了仿真分析，結果表明，材料的裂紋是從結構的中心區域開始的，在熱應力和殘余應力的綜合作用下可實現完全開裂。

圖3 熱應力致裂紋示意圖

2 試驗研究

研究人員[16-20]在對致密耐火澆注料快速烘烤的爆裂研究中得到尺寸為350 mm×350 mm×250 mm試樣單面受熱時距離受熱面100 mm處，在286 ℃時產生最大蒸氣壓5.88 MPa。而對100 mm×100 mm×100 mm試樣內部應力- 應變的測試研究表明當表面溫度達到100 ℃時內部應力也已大于5 MPa，此時已產生較大內部應變量，隨著溫度的升高應變量累積可形成澆注料內部微小裂紋。研究結果表明澆注料表面溫度在100～160 ℃、200～250 ℃及350～400 ℃三個溫度區間為澆注料烘烤爆裂危險區間。

圖4為100 mm×100 mm×100 mm剛玉質澆注料試樣內部蒸氣壓力- 溫度測試結果。從圖中可以看出蒸氣壓力曲線都呈單陡峰形。當溫度低于300 ℃時，澆注料內部蒸氣壓力增長緩慢，內部壓力較小，對應內部溫度平穩增長，且增長速率逐漸變大。當溫度高于300 ℃后，隨著溫度的升高，澆注料內部蒸氣壓力迅速增長至最大值，此時對應壓力測試點的內部溫度則增長速度放緩，甚至趨于平穩或有所下降，出現明顯的吸熱現象，當蒸氣壓力接近最大值時內部溫度又迅速增大。當蒸氣壓力到達最大值后出現突然釋放現象，壓力在短時間內(3～5 min)降至1 MPa以下，而此時澆注料內部溫度迅速攀升，澆注料內外溫差迅速減小。當蒸氣壓力值降至<0.5 MPa后，壓力曲線逐漸趨于平穩，緩慢下降。

圖4 剛玉質澆注料內部蒸氣壓力- 溫度

3 加熱爐燒嘴烘烤制度研究

3.1 加熱爐燒嘴概況

基于以上分析，應用澆注料爆裂理論研究成果對廣西柳州某耐火公司生產的剛玉莫來石質加熱爐燒嘴的養護烘烤進行了試驗研究，調整了廠家制訂的烘烤制度。燒嘴外觀如圖5所示。

圖5 加熱爐燒嘴

制品為低水泥結合剛玉電容莫來石質澆注料，其中氧化鋁含量大于80%，水泥加入量6%，硅灰加入量3%，α-Al2O3加入量3%，粉體總量占37%，加水量4.8%。其性能指標見表1。制品重約1 t，形狀為凹實心圓餅狀，直徑1 m，高300 mm，鐵模具澆注料成型，四周和底部為焊接鐵板，底部鐵板凹中心燒嘴處為木模具支撐，脫模時無法脫去，燒嘴眼則用實心塑料模具填封，脫模時也無法脫去。制品在烘烤時底部與四周均無法排氣，烘烤初期燒嘴孔也無排氣功能，即整個樣塊幾乎只靠上表面排水排氣。

表1 加熱爐燒嘴基本性能

3.2 加熱爐燒嘴烘烤爆裂分析

在進行烘烤制度調整前廠方已經因烘烤爆裂而損壞了兩副制品。爆裂損壞的兩副制品都添加了抗爆裂助劑，都是在爐溫烘烤到400 ℃左右發生的爆裂損壞。第一副制品為沿直徑方向形成一裂紋而導致損壞；第二副制品烘烤至約400 ℃時發生烈性爆炸，爆裂部位為靠近底部鐵板，導致底部焊接鐵板炸開變形，現場觀察發現制品密實好，爆裂為層狀炸裂。其烘烤制度見圖6。

圖6 加熱爐燒嘴原烘烤曲線

制品烘烤制度的確定一般基于其化學成分，外形結構與內部結構，中低溫性能及加水量等[21]。根據現場觀察與制品理化性能，對發生爆裂損壞的兩副制品的爆裂原因分析如下：

(1)因鐵套模具的約束及木模具與塑料模具養護脫模時無法脫去，因此制品在烘烤時底部與四周均無法排氣，烘烤初期燒嘴孔也幾乎無排氣功能，即整個樣塊幾乎只靠上表面排水排氣，制品在烘烤時無法及時排除水分，特別是制品底部水分基本無法排出。此為制品爆裂的重要原因。

(2)從制品化學組成可知微細粉體含量較高，加水量偏高，制品較為密實，制品內部微細孔洞占比較大，使制品在烘烤時水分排出較困難。同時因水泥含量偏高，其與硅灰、α-Al2O3等水化產生的結晶水含量增加，使制品烘烤至200 ℃后大量結晶水汽化而無法得到及時排出，增加了澆注料爆裂的可能性。

(3)從澆注料烘烤制度分析可知制品在110～350 ℃間烘烤升溫速度較快，保溫區間不夠合理，使制品內外產生較大溫差，綜合前兩個原因，從而導致了制品的爆裂損壞。

3.3 烘烤制度的調整

烘烤為耐火澆注料投入使用前的關鍵環節，制品的爆裂損壞給廠方造成較大的經濟損失，為此需重新制定對新成型的澆注料坯樣的烘烤方案。

耐火澆注料110 ℃烘烤后的失重率通常達到50%以上，200～300 ℃烘烤后累計失重率達70%～90%。水泥- 微粉結合澆注料的特點為形成的中低溫結晶體較多，中低溫強度較高，制品致密性好，但同時存在中低溫烘烤時澆注料持續大量釋放結晶水的問題。因此低溫烘烤階段為烘烤過程的關鍵，需使澆注料水分充分排出，同時降低制品的內部溫度梯度。

澆注料烘烤時中低溫的充分保溫是必要的，首先可以保證結合劑充分水化，提高制品的基本性能。其次可以減少澆注料內部的溫度梯度，減小澆注料內部產生的內熱應力，避免短時間坯體體積變化過大而引起坯體產生過多裂縫甚至開裂。再者可為烘烤時澆注料內部水分的擴散排除提供充分的動力，保證水分充分排出。澆注料烘烤時的升溫速度也需要有效控制，特別是200～300 ℃溫度區間，澆注料內部溫度梯度較大，已大量形成微小縫隙，同時內部水分持續大量蒸發，無法及時排出，在內部孔隙處聚集。因此澆注料的中低溫烘烤可適當延長保溫時間，在200～300 ℃溫度區間減少升溫速率并保證保溫時間。綜合以上研究分析，筆者對廠方生產的第三副制品確定了新的燒烤方案，如圖7所示。方案說明如下：

圖7 加熱爐燒嘴新的烘烤曲線

(1) 60 ℃保溫4 h是為了使坯體中水泥硅灰及α-Al2O3充分水化，同時促使坯體中自由水處于高能狀態，保證110 ℃烘烤后自由水充分蒸發排出。

(2) 150 ℃充分保溫一是為110～150 ℃烘烤后坯體內部大量自由水蒸發產生的水蒸氣提供擴散排出動力，保證坯體中自由水的充分排出，同時可為坯體內部傳熱提供充分時間，均化坯體內部溫度差，減少內部產生的熱應力。

(3) 200 ℃后低溫結合水開始分解蒸發，250 ℃左右大量水泥結合水開始排出，此時坯體內部已存在大量孔隙及水蒸氣的大量聚集，因此200～260 ℃間降低升溫速率，同時在200 ℃及260 ℃充分保溫，避免因結晶水的分解而引起坯體的松解。

(4) 350 ℃和400 ℃的適當保溫一是為了使結合水特別是高溫結合水的進一步排除，二是保證制品的中溫強度及為獲得較好的高溫性能做準備。

烘烤注意事項如下：

(1) 確保澆注料成型后養護48 h以上，檢查驗收合格，并做好烘烤前準備工作。

(2) 烘烤時盡可能采用電烘烤，木材或煤氣烘烤也可，但嚴禁在烘烤過程中火焰直接接觸澆注料。

(3) 烘烤過程中升溫應平衡，熱源或溫度調整時避免發生溫度突變，同時避免發生耐火澆注料的局部過熱。

(4) 保證低溫烘烤時間，整體烘烤時間應不少于規定時間。

(5) 投入運行的設備應經常檢查，并做好烘烤記錄。

3.4 使用效果

應用爆裂試驗研究所確定的烘烤制度對第三塊加熱爐燒嘴進行烘烤實踐，烘烤過程各工序運行正常，通過爐外觀火孔觀察加熱爐燒嘴沒有發生爆裂，澆注料坯體無剝落。烘烤結束開爐觀察發現，加熱爐燒嘴無爆裂，表面無剝落無裂紋。此后，該耐火材料企業一直為廠家提供加熱爐燒嘴，并使用筆者制定的烘烤制度進行烘烤，到目前為止都沒有出現過剝落或爆裂，廠家反映良好。

4 結語

通過對澆注料烘烤時內部蒸氣壓力與熱應力致爆裂機理的研究可更好的厘清澆注料烘烤損壞的原因，并有效指導澆注料抗爆裂性的改善。

結合澆注料烘烤致爆裂的機理與生產實際環境可制定其科學合理的烘烤制度，有效避免澆注料開裂，剝落或者爆裂的發生，提高產品性能，增加企業效益。本烘烤曲線的制定可為其他澆注料或窯爐烘烤提供指導或借鑒意義。