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、化學組成

可以說耐火材料的化學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相—玻璃相,而玻璃相主要是低熔物,因此對等雜質含量要特別注意控制。鐘香崇在研究一些氧化物對燒結礬土相組成,顯微結構和熱機械性能影響時發現,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,由于化學組成決定材料的礦物組成,而各種礦物綜合構成材料的構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、熱膨脹系數一樣也反映材料原子間結合力及結構能量,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、質點之間結合力強,彈性模量大,不易變形,而分子鍵的結合力弱,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,抗蠕變性能優良,反之,多晶材料,晶界數量增多,滑移路線增多,材料就易發生變形。

5、微觀結構

①晶相耐火材料的蠕變主要由其微觀結構決定,微觀結構對晶體而言,不只表現在晶體的性質如熔點、彈性模量等、種類和數量上,更取決于其尺寸、形狀和結合狀態,即晶體的界面結構因子。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量,主要與其化學礦物結構不均性有關,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,一般來說穿叉成網絡結構,晶體間結合良好的架狀結構,抗蠕變性能優良,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,構成牢固的網絡。從晶界滑移方面來講晶粒的細化將有助于晶粒間的滑移,使材料具有塑性行為,這是超導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的液相,因此其組成性能分布在不同程度上影響蠕變。據文獻報導,在結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量和組成,也改變其相界狀態和界面能,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。當應變到一定程度,在壓應力的作用下,液相被排擠到晶間角落。,當液相中MgO的過飽和并析出晶間方鎂石時,可改善晶間結合狀態,有利于減緩其蠕變速率。

總之,液相粘度高,與顆粒間結合良好的材料,抗蠕變優良。這里液相的粘度顯得特別重要。液相的數量、分布、性質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構上主要表現為莫來石小晶體埋置在連續的玻璃基中,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交錯網絡結構,玻璃相分布在網絡間隙中。

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,這些結構因子可以影響蠕變。但據文獻報導,對致密燒結材料,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

耐火材料的微觀結構是由生產工藝來確定的,它與生產工藝的各道環節息息相關。氣孔率的大小、分布、結合劑與熟料顆粒的結合強度、晶體的發育狀況及接觸、狀況等等都是在生產過程中形成的。

①泥料組成當結合相數量從15%增加到45%時,材料密度有所提高,大氣孔數量有所減少。當結合相含量為5%時,骨料顆粒之間為直接接觸,因為結合劑的數量不足以填充空隙,接觸面積小,致使產生較大的局部應力,蠕變性增大。當結合劑含量為時,骨料相互脫離,燒結時,形成少量的大氣孔,接觸面積增大,蠕變形下降,含30%結合劑的材料居中。

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擴展,因而在變形過程中,使其滑移狀況有所減輕。當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構取決于高溫燒成后所達到的結構狀況。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,使晶體之間接觸良好,從而降低蠕變速率。

但如果生產工藝能保證制品在成型和燒成過程中,使結合相部分充分地將熟料顆粒膠結起來,那樣,材料的生產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,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展程度。

在耐火材料中的諸相中,玻璃相在發生蠕變時起著的作用,玻璃相的粘度影響較大。

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