影響耐火材料蠕變變形的因素
影響耐火材料高溫蠕變的因素是多方面的,而且許多因素又是相互聯(lián)系在一起的。影響耐火材料蠕變變形的因素主要有以下幾點：
下面將具體綜述上述各種因素的影響：
1、溫度、荷重、時間
如果耐火材料材質(zhì)已定,那么溫度、荷重、時間是影響蠕變的主要因素。溫度越低,荷重越小,達到勻速蠕變速率的時間就越長反之,如果在高溫高荷重情況下,那么蠕變曲線的形狀將立即從一次蠕變即減速蠕變轉(zhuǎn)移到三次蠕變即加速蠕變。一般來說,荷重或材料所受到的應(yīng)力越大,溫度越高,其變形越大越快。
2、氣氛
耐火材料在測試或使用過程中,由于氣氛的不同,將對其蠕變影響很大。如硅磚在氧化氣氛下,即使含有的液相時,在荷重下仍舊保持剛性,而在還原氣氛下,出現(xiàn)蠕變的溫度要比氧化氣氛下低得多。其實各種含有SiO2的各種耐火材料都有這種現(xiàn)象,這主要是由于還原氣氛下SiO2被還原以及Fe2O3,TiO2等以低價氧化物形式存在的緣故,結(jié)果液相量增加,粘度降低。其它,如莫來石在還原氣氛下分解溫度降低,大大影響高鋁耐火材料的蠕變。
3、化學(xué)組成
可以說耐火材料的化學(xué)組成將決定耐火材料的各種性能,對蠕變性能而言,由于耐火材料的蠕變性能取決于連續(xù)相—玻璃相,而玻璃相主要是低熔物,因此對等雜質(zhì)含量要特別注意控制。鐘香崇在研究一些氧化物對燒結(jié)礬土相組成,顯微結(jié)構(gòu)和熱機械性能影響時發(fā)現(xiàn),每增加玻璃相增加0.7%,莫來石減少1.5%~2%,同時增加了玻璃相的雜質(zhì)含量,因而玻璃相粘度會降低,將會降低材料的抗蠕變性能;另一種說法認(rèn)為隨K2O含量的增高玻璃相中SiO2含量增加,形成高SiO2玻璃粘度提高。由高鋁磚在不同溫度下的相組成與變相量,可以明顯看出它們影響的大小。
總之,由于化學(xué)組成決定材料的礦物組成,而各種礦物綜合構(gòu)成材料的構(gòu)造從而顯示出其獨特性能。所以要從總體上把握容易生成低熔點礦物的化學(xué)成份,對來說,K2O、Na2O處尤為突出,因為K2O、Na2O都進入玻璃相,而Fe2O3、TiO2將有一部分固溶到結(jié)晶相(剛玉和莫來石)中,其危害程度較小。
4、礦物組成
眾所周知,彈性模量與熔點、熱膨脹系數(shù)一樣也反映材料原子間結(jié)合力及結(jié)構(gòu)能量,宏觀上可表示材料抗蠕變變形的能力,所以共價鍵的晶體、離子晶體、質(zhì)點之間結(jié)合力強,彈性模量大,不易變形,而分子鍵的結(jié)合力弱,彈性模量小,容易變形,這就是人們選用剛玉一莫來石制品作為高溫抗蠕變材料的原因。
從蠕變機理我們已經(jīng)知道,蠕變常以晶界滑移形式進行,因此對單晶材料,晶界少,抗蠕變性能優(yōu)良,反之,多晶材料,晶界數(shù)量增多,滑移路線增多,材料就易發(fā)生變形。
5、微觀結(jié)構(gòu)
①晶相耐火材料的蠕變主要由其微觀結(jié)構(gòu)決定,微觀結(jié)構(gòu)對晶體而言,不只表現(xiàn)在晶體的性質(zhì)如熔點、彈性模量等、種類和數(shù)量上,更取決于其尺寸、形狀和結(jié)合狀態(tài),即晶體的界面結(jié)構(gòu)因子。對莫來石組成的材料,蠕變速率幾乎不取決于熟料的顆粒組成和數(shù)量,主要與其化學(xué)礦物結(jié)構(gòu)不均性有關(guān),但顆粒間的接觸條件具有較大影響,因為它基本上決定著材料的性狀,一般來說穿叉成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),晶體間結(jié)合良好的架狀結(jié)構(gòu),抗蠕變性能優(yōu)良,對此鐘香崇曾對剛玉-莫來石系的高溫性能作研究時提出,兩晶相比例為75:25或25:75時都比單一材料的性能好,就是因為在此比例下,晶粒間相互交織充填,構(gòu)成牢固的網(wǎng)絡(luò)。從晶界滑移方面來講晶粒的細(xì)化將有助于晶粒間的滑移,使材料具有塑性行為,這是超導(dǎo)材料采取的一種主要措施,但對抗蠕變性能來講,正是要避免此種塑性變形,因此,在選擇材料時,要選用晶粒尺寸大,結(jié)晶良好的材料。
②玻璃相對耐火材料的蠕變性能,其玻璃相尤為重要,由于它是高溫下材料中的連續(xù)的液相,因此其組成性能分布在不同程度上影響蠕變。據(jù)文獻報導(dǎo),在結(jié)晶界面形成玻璃相夾雜時,即使該夾層不大,也能使變形速率急劇加大。另一方面,連續(xù)的牢固骨架,即使存在大量強度低的夾雜物時,也能顯著抗蠕變。也就是說液相存在于粒間角落中,不浸潤晶體。在制品燒成和蠕變試驗及使用過程中,液相與晶相間相互作用,不僅改變其本身的數(shù)量和組成,也改變其相界狀態(tài)和界面能,影響蠕變活化能例如,鎂磚中低熔點的液相會溶解方鎂石晶體表面,使晶體的園度值增高,平衡二面角降低,蠕變速率增加。當(dāng)應(yīng)變到一定程度,在壓應(yīng)力的作用下,液相被排擠到晶間角落。,當(dāng)液相中MgO的過飽和并析出晶間方鎂石時,可改善晶間結(jié)合狀態(tài),有利于減緩其蠕變速率。
總之,液相粘度高,與顆粒間結(jié)合良好的材料,抗蠕變優(yōu)良。這里液相的粘度顯得特別重要。液相的數(shù)量、分布、性質(zhì)決定耐火材料的抗蠕變性能。從文獻看,對高鋁耐火材料,蠕變性能有二級高鋁磚≥一級高鋁磚≥三級高鋁磚等。原因是三級高鋁磚材料顯微結(jié)構(gòu)上主要表現(xiàn)為莫來石小晶體埋置在連續(xù)的玻璃基中,而一級高鋁磚材料抗蠕變性能差是由于液相粘度低。高溫下液相溶解顆粒邊界減小晶體間的接觸；而二級高鋁磚材料,有緊密的晶間接觸并形成連續(xù)交錯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),玻璃相分布在網(wǎng)絡(luò)間隙中。
③氣孔耐火材料中的氣孔,大多氣孔以裂紋形式存在,因此其形狀大小、分布,這些結(jié)構(gòu)因子可以影響蠕變。但據(jù)文獻報導(dǎo),對致密燒結(jié)材料,氣孔尺寸變化,及氣孔尺寸對蠕變變形速率影響較小,主要是氣孔率的影響。氣孔率高,有效斷面減小應(yīng)力集中。而且氣孔表面,缺陷高度集中,容易造成晶界滑移和擴散,降低抗蠕變性能。
6、某些工藝因素對蠕變性能的影響
耐火材料的微觀結(jié)構(gòu)是由生產(chǎn)工藝來確定的,它與生產(chǎn)工藝的各道環(huán)節(jié)息息相關(guān)。氣孔率的大小、分布、結(jié)合劑與熟料顆粒的結(jié)合強度、晶體的發(fā)育狀況及接觸、狀況等等都是在生產(chǎn)過程中形成的。
①泥料組成當(dāng)結(jié)合相數(shù)量從15%增加到45%時,材料密度有所提高,大氣孔數(shù)量有所減少。當(dāng)結(jié)合相含量為5%時,骨料顆粒之間為直接接觸,因為結(jié)合劑的數(shù)量不足以填充空隙,接觸面積小,致使產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力,蠕變性增大。當(dāng)結(jié)合劑含量為時,骨料相互脫離,燒結(jié)時,形成少量的大氣孔,接觸面積增大,蠕變形下降,含30%結(jié)合劑的材料居中。
骨料顆粒臨界粒度的變化,對蠕變性無重大影響,合理的顆粒級配,形成緊密堆積,使試樣氣孔率下降,蠕變性下降。
②成型壓力從陸美亞對剛玉耐火材料的研究來看,壓力不大時,顆粒總的接觸表面積未得到充分?jǐn)U展,因而在變形過程中,使其滑移狀況有所減輕。當(dāng)成型壓力增大時材料密度提高,氣孔率減小,降低了勻速蠕變階段的蠕變速率。
③燒成如前所述,氣氛對蠕變的影響也是很大的,因此燒成氣氛也要根據(jù)不同的材料選擇合適的氣氛,對Al2O3-SiO2系材料要選用氧化氣氛另外材料的結(jié)構(gòu)取決于高溫?zé)珊笏_到的結(jié)構(gòu)狀況。因此,要求采取合適的溫度制度、壓力制度、保溫時間、燒成氣氛,使材料充分燒結(jié),使晶體之間接觸良好,從而降低蠕變速率。
但如果生產(chǎn)工藝能保證制品在成型和燒成過程中,使結(jié)合相部分充分地將熟料顆粒膠結(jié)起來,那樣,材料的生產(chǎn)工藝對蠕變性幾乎無影響。但是若熟料顆粒未受到充分的膠結(jié),材料的變形速率增大,且達到較大的值。如果不是以方式選擇工藝流程,則工藝對蠕變性的影響相當(dāng)強烈。
總之,耐火材料的蠕變性能取決于氣孔率,相組成及顆粒之間接觸的發(fā)展程度。
在耐火材料中的諸相中,玻璃相在發(fā)生蠕變時起著的作用,玻璃相的粘度影響較大。
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