荷重及溫度變化同時作用下莫來石紅柱石制品性能的變化分析

2022-11-05 01:51:32車連房南建林秦建濤李慧雯李志杰

山東冶金 2022年5期

付衛(wèi)，車連房，南建林，秦建濤，李慧雯，李志杰

（1 山東耐材集團魯耐窯業(yè)有限公司，山東淄博 255200；2 山東耐火材料集團有限公司，山東淄博 255200）

1 前言

隨著我國經濟的高速發(fā)展，高爐熱風爐高風溫、長壽化、多樣化、高效化得到了快速的發(fā)展，從熱風爐設計到耐火材料選擇都有了大幅度的改進和提高［1-2］。其中：達涅利克魯斯（霍戈文）高風溫熱風爐的引進，新日鐵型、PW型大型外燃式熱風爐的引進，大型外燃式熱風爐加輔助小熱風爐的組合，俄羅斯卡魯金頂燃式的引進，球式頂燃式和逆旋流頂燃式等都取得了高風溫的實效［3］。對于熱風爐用耐火材料而言，要實現熱風爐長壽命，所用耐材除了要求其具有優(yōu)異的抗蠕變性能外，還應具有優(yōu)良的抗熱震性、抗CO 和堿蒸氣侵蝕等綜合性能［4］。魯耐窯業(yè)公司根據國內外熱風爐耐火材料的使用情況研發(fā)了1 250～1 550 ℃條件下的系列熱風爐低蠕變紅柱石磚，實現了制品從僅滿足低蠕變要求到高熱震低蠕變的優(yōu)化。產品技術指標達到了歐美國際化設計工程公司（如新日鐵、達涅利、PW、VAI、KALUGIN等熱風爐）設計的要求，熱風爐產品成為魯耐窯業(yè)公司的國際知名品牌產品。根據使用條件的不同，熱風爐用紅柱石磚分為紅柱石部分轉化的紅柱石基耐火制品及紅柱石全部轉化的紅柱石制品，該兩種類型的制品通過控制紅柱石粒度及燒成溫度在實際的應用中取得了較好的使用效果。本文從應用產品中選取3 種不同檔次的紅柱石莫來石制品承受荷載和溫度變化作用，真實的模擬該材質產品正常使用環(huán)境，從而更好地判斷莫來石紅柱石制品同時抵抗荷載和溫度變化作用時的性能變換，并通過荷載及反復溫度變化的同時作用研究產品物理指標及顯微結構的變化，判斷材料的性能變化趨勢。

2 試驗

選取AL55、AL65、AL75 三種不同級別的紅柱石制品進行高溫下荷載和溫度變化同時作用的研究。通過對試驗后樣品性能與原始性能的對比分析，研究不同產品試驗前后常溫耐壓強度、氣孔率、體積密度及顯微結構的變化，并分析產生變化的原因及效果。

2.1 試驗選材

選擇AL55、AL65、AL75 進行高溫下的荷載和溫度變化同時作用的研究。

2.2 試樣制備

將各種材質的樣品制成中心帶通孔的圓柱體，直徑50±0.1 mm，高50±0.1 mm，中心通孔直徑12～13 mm，并與圓柱體同軸。

2.3 性能檢測

采用GB/T 2997—2015《致密定形耐火制品體積密度、顯氣孔率和真氣孔率試驗方法》檢測氣孔率及體積密度；采用GB/T 5072—2008《耐火材料常溫耐壓強度試驗方法》檢測常溫耐壓強度；使用SEM觀察試樣的顯微結構。采用GB/T 5073—2005《耐火材料壓蠕變試驗方法》在1 500～800 ℃溫度波動范圍內進行荷載和溫度變化同時作用的檢測。

3 結果與討論

AL55、AL65、AL75 樣品試驗前進行顯氣孔率、體積密度的檢測，同時取平行樣進行燒前常溫耐壓強度、顯微結構的分析。試驗中樣品在0.2 MPa 條件下，AL55 承受高溫1 200～800 ℃的溫度變化，AL65、AL75承受高溫1 500～1 100 ℃的溫度變化，溫度變化完成6 個循環(huán)后自然降溫至室溫。對試驗后樣品進行顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強度、顯微結構的分析。試驗前后樣品的氣孔率變化見圖1，體積密度變化見圖2，常溫耐壓強度變化見圖3，顯微結構變化見圖4～6。

圖1 試驗前后樣品的氣孔率變化規(guī)律

圖2 試驗前后樣品的體積密度變化規(guī)律

圖3 試驗前后樣品的常溫耐壓強度變化規(guī)律

圖4 AL55試驗前后顯微結構

3.1 實驗結果討論

3.1.1 產品氣孔率的變化趨勢分析

從圖1可以看出：AL55在荷載和溫度變化同時作用后氣孔率下降1.73%；AL65在荷載和溫度變化同時作用后氣孔率增加0.8%；AL75 在荷載和溫度變化同時作用后氣孔率增加1.10%。

3.1.2 從產品體積密度的變化趨勢分析

從圖2可以看出：AL55在荷載和溫度變化同時作用后體積密度+0.03 g/cm3，AL65在荷載和溫度變化同時作用后體積密度-0.11 g/cm3，AL75在荷載和溫度變化同時作用后體積密度-0.09 g/cm3。

3.1.3 從產品耐壓強度的變化趨勢分析

從圖3 可以看出：AL55 在荷載和溫度變化同時作用后耐壓強度-5%，保持在71 MPa；AL65 在荷載和溫度變化同時作用后耐壓強度-13%，保持在89.5 MPa；AL75 在荷載和溫度變化同時作用后耐壓強度+22%，達到130 MPa，耐壓強度有了大幅度提高。

3.1.4 顯微結構

從圖4 可以看出：試驗后AL55 樣品結構更加致密，由于紅柱石莫來石化后富硅液相的填充作用使得氣孔率降低。同時，材料中形成了大量的莫來石晶柱，晶柱呈現連續(xù)分布并且結晶方向一致，初步判斷為紅柱石一次莫來石化形成完整的莫來石化晶相。液相的填充抵消了紅柱石一次莫來石化引起的微膨脹，將莫來石晶相與其他晶相連接的更緊密，莫來石化產生的膨脹抵消了部分燒結收縮，且氣孔隨莫來石晶柱的形成而逐漸聚集及排除，使產品氣孔率降低，體積密度升高。莫來石相的發(fā)育提高了材料的力學性能，荷載和溫度變化同時作用后，產品的常溫耐壓強度并未受到影響，維持在70 MPa以上。

從圖5a 可以看出：試驗前AL65 表面已經存在較完整的莫來石晶相，該晶相內部包裹剛玉、莫來石、石英等晶相，各個晶相之間緊密累積，無序排列。從圖5b 可以看出：試驗后AL65 表面的莫來石晶相繼續(xù)擴展，該晶相內部包裹的晶相逐漸向莫來石轉化，形成結晶方向一致的柱狀莫來石及原位生成的二次莫來石晶粒，柱狀莫來石在高溫高壓下形成排列方向一致的尺寸10～20 μm晶柱，在晶柱的邊緣部分存在一部分很小的莫來石晶粒，該晶粒主要是由紅柱石轉化莫來石時生成的富SiO2液相與基質中的富Al2O3反應生成。莫來石化反應增強了產品的結構強度，使產品產生微膨脹，產品的體積密度降低、氣孔率升高。莫來石晶相的大范圍的有序形成使制品的常溫耐壓強度保持在89 MPa 以上，對材料的實際使用不會產生任何的影響。

圖5 AL65試驗前后顯微結構

從圖6 可以看出：試驗前AL75 樣品結合致密、少孔，試驗后樣品結構層次分明，多孔，剛玉相與莫來石相相間，莫來石晶相得到進一步的發(fā)育并與剛玉顆粒相互穿插，大大提高了力學性能。莫來石化產生的微膨脹使產品氣孔率稍微有所提高，但隨著莫來石化產生的陶瓷結合度的提升，產品的常溫耐壓強度大幅度提升，達到130 MPa。

圖6 AL75試驗前后顯微結構

3.2 試驗數據分析

從試驗分析來看，荷載和溫度變化同時作用后，產品中的紅柱石均進一步的莫來石化及二次莫來石化。莫來石化產生的微膨脹大于高溫下液相出現產生的收縮時，試樣膨脹，氣孔率提升，體積密度降低；莫來石化產生的微膨脹小于高溫下液相出現產生的收縮時，試樣收縮，氣孔率降低，體積密度增加。但是無論從哪個方面分析，莫來石化的發(fā)生都增強了產品的結構強度，使產品的常溫耐壓強度出現不同程度的提升，莫來石化程度越完整的產品，結合強度提升得越突出，例如：AL75耐壓強度提升30%。

從實驗前后產品的常溫耐壓強度變化情況分析，三種牌號的紅柱石磚均表現出了良好的性能，且荷載和溫度變化同時作用后，產品仍保持了較強的耐壓強度。該材質在長期的使用過程中，可以為客戶創(chuàng)造出更高的使用價值。

荷載和溫度變化同時作用后，產品呈現穩(wěn)定狀態(tài)，該穩(wěn)定狀態(tài)的出現代表產品可以長期保持結構穩(wěn)定，為熱風爐的高風溫、長壽化發(fā)展提供了一定的參考意義。