高温推板砖在使用过程中,既要承受坯体和匣钵的压力、移进时的巨大推动以及与轨道之间的磨檫阻力,还要承受几十次甚至上百次的冷热循环,因此,推板材料不仅要有很好的常温、高温强度和耐磨性能,还应具有优异的抗热震性能。目前国外常用的高温推板材料主要有SiC、刚玉-莫来石制品等,其中SiC制品在高温下易被氧化,其应用受到限制。莫来石和刚玉作为高温材料具有较多优点,如荷重软化温度高,抗蠕变性能好,但纯刚玉制品因热膨胀系数较大,其抗热震性能不太理想。而纯莫来石制品热膨胀系数较小,热震稳定性较好,但多年的生产实践表明,国产纯莫来石推板制品的使用寿命与国外高温推板制品相比,差距仍很大,原因主要是热震稳定性不够。通过对国外同类产品物相组成和显微结构的分析表明,国外具有优异抗热震稳定性的推板产品普遍采用的是刚玉—莫来石质制品,其使用寿命多达100次以上。国内推板产品在常温和高温力学性能等当面已能满足使用要求,但抗热震稳定能仍存在较大问题,为此着重研究推板骨料的组成与配比对抗热震稳定性的影响,以改善国产高温推板制品的抗热震稳定性。
一 :实验
1.1 配方设计:我公司郑州驹达耐火材料有限公司www.zzjdnc.com对国内外产品的物相组成和显微结构分析表明:具有优异抗热震性的高温推板制品基质部分应由莫来石和刚玉相复合而成。通过对莫来石一刚玉系烧结材料的高温力学性能研究表明,莫来石/刚玉质量比分别为25:75和75:25时的复合材料高温力学性能均优于纯莫来石或刚玉材料,其中莫来石与刚玉比例为75:25时的配料点恰好位于SiO2—AL2O3相图中1840℃出现低共熔的配料组成点附近。若考虑材料抗热震性,则莫来石与刚玉比为75:25时应较好,其原因:(1)莫来石热膨胀系数小于刚玉相,而复合材料热膨胀系数肯定是前者大于后者:(2)莫来石与刚玉之间热膨胀系数的不同在符合材料内部形成热膨胀失配,形成微裂纹,提高材料断裂吸收功,可提高材料抗热震性(3)一般认为,在低共熔点附近的配料组成可能会影响到材料的抗蠕变性能,但根据数据表明,此配料点的压蠕变速率却是最小的。因此,试验中将基质的物相组成定为莫来石/刚玉比为75:25左右,结合剂配方为:AL2O3 细粉20%~26%,苏州泥4%~7%,硅线石 5%~8% ,结合剂用量为 36% 。最终配料组成点:AL2O3约79%~81%,SiO2 约 19%~21%。由于骨料的品种和规格对产品的热膨胀系数和热膨胀失配有较大影响,从而影响制品抗热震稳定性,因此主要考察在结合剂配方一定的情况下,骨料品种及规格对高温推板热震稳定性的影响。骨料的配方见表1.
1.2生产工艺:根据实际生产条件,确定生产工艺如下:结合剂用球磨机进行混料,混料时间为12h以上。将不同规格的骨料混合均匀后加适量水和糊精搅拌,再加结合剂搅拌均匀后出料,困料3d后采用200t压力机成型,成型试样尺寸为40mmX115mm230mm。试样经干燥数天后在倒焰窑中经1710℃左右保温若干小时后烧成。
1.3结果与分析:标准砖的物理力学性能见表2.由表2可见,其它条件相同时,骨料配方对标准砖的热震稳定性影响较大。随骨料中刚玉颗粒含量增加,标准砖热膨胀系数逐渐增大。根据Kingery的抗热震断裂理论,各式样的抗热震性随热膨胀系数的增大而逐渐变差,但实验结果表明,热膨胀系数最小的NO.1 试样热震稳定性却较差,而NO.2~NO.5试样的热震稳定性表现出较好的规律性,即随热膨胀系数的增大而逐渐变差,可见,材料的热膨胀系数虽对材料的热震稳定性有较大影响,但并非唯一影响因素,还与材料中是否存在热膨胀失配等耗能机制有关。NO.2试样由于莫来石、刚玉颗粒与莫来石—刚玉复合机制之间存在热膨胀失配,产生细微裂纹,在受到热震应力作用时,微细裂纹扩展,同时骨料发生穿晶断裂,消耗大量能量,抑制了主裂纹的扩展,可防止推板制品过早产生热震破坏,其热震次数达17次时仍未产生断裂,仅出现可见裂纹,可见其抗热震性能较优。此外,刚玉颗粒的大小对材料热膨胀系数也有影响,颗粒含量相同时,颗粒越大,其热膨胀系数越大,如NO.2和NO.3试样,其抗热震性也受到影响,NO.3试样的抗热震性比NO.2试样略差。
表2结果表明,当结合剂为莫来石—刚玉复合相时,全部用刚玉骨料的标准砖不全部用莫来石的试样抗热震性差,全部用刚玉骨料的NO.5试样在1100℃至水冷条件下热震2次即出现明显裂纹。从热膨胀系数对材料抗热震性的影响角度考虑,这是显而易见的。但某日本产品试样的骨料全部采用刚玉骨料,其抗热震性却非常好,其原因可能有两方面:一方面是骨料与结合剂比例的不同导致其热震稳定性的差异:另一方面可能是生产工艺不同所导致的这两方面尚待进一步研究。
一般,高温推板的常温耐压强度要求在60MPa以上,显气孔率在20%左右,而本研究所得标准砖试样常温耐压强度在100MPa,显气孔率在15%左右。根据抗热震损伤理论,气孔率较大对耐火材料抗热震稳定性有利,因此,若在生产中控制NO.2 ,NO.3推板试样的显气孔率增大至20%左右,则推板材料抗热震性还可进一步改善。
二 结论
(1)材料热膨胀系数对材料的抗热震稳定性有较大影响,若存在热膨胀失配耗能机制,则显微裂纹的产生将显著改善推板的抗热震稳定性。
(2)结合相组成中莫来石-刚玉的质量比为75:25左右,骨料由75%~0~3mm莫来石与25%的0~1mm刚玉颗粒复合而制得的标准砖,具有很好的热震稳定性,其康热震次数(1100℃~水冷)达17次仍未断裂。