影响耐火材料蠕变变形的因素
影响耐火材料高温蠕变的因素是多(duō)方面的,而且许多(duō)因素又(yòu)是相互联系在一起的。影响耐火材料蠕变变形的因素主要有(yǒu)以下几点：
下面将具體(tǐ)综述上述各种因素的影响：
1、温度、荷重、时间
如果耐火材料材质已定,那么温度、荷重、时间是影响蠕变的主要因素。温度越低,荷重越小(xiǎo),达到匀速蠕变速率的时间就越長(cháng)反之,如果在高温高荷重情况下,那么蠕变曲線(xiàn)的形状将立即从一次蠕变即减速蠕变转移到三次蠕变即加速蠕变。一般来说,荷重或材料所受到的应力越大,温度越高,其变形越大越快。
2、气氛
耐火材料在测试或使用(yòng)过程中,由于气氛的不同,将对其蠕变影响很(hěn)大。如硅砖在氧化气氛下,即使含有(yǒu)的液相时,在荷重下仍旧保持刚性,而在还原气氛下,出现蠕变的温度要比氧化气氛下低得多(duō)。其实各种含有(yǒu)SiO2的各种耐火材料都有(yǒu)这种现象,这主要是由于还原气氛下SiO2被还原以及Fe2O3,TiO2等以低价氧化物(wù)形式存在的缘故,结果液相量增加,粘度降低。其它,如莫来石在还原气氛下分(fēn)解温度降低,大大影响高铝耐火材料的蠕变。
3、化學(xué)组成
可(kě)以说耐火材料的化學(xué)组成将决定耐火材料的各种性能(néng),对蠕变性能(néng)而言,由于耐火材料的蠕变性能(néng)取决于连续相—玻璃相,而玻璃相主要是低熔物(wù),因此对等杂质含量要特别注意控制。钟香崇在研究一些氧化物(wù)对烧结矾土相组成,显微结构和热机械性能(néng)影响时发现,每增加玻璃相增加0.7%,莫来石减少1.5%~2%,同时增加了玻璃相的杂质含量,因而玻璃相粘度会降低,将会降低材料的抗蠕变性能(néng);另一种说法认為(wèi)随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。由高铝砖在不同温度下的相组成与变相量,可(kě)以明显看出它们影响的大小(xiǎo)。
总之,由于化學(xué)组成决定材料的矿物(wù)组成,而各种矿物(wù)综合构成材料的构造从而显示出其独特性能(néng)。所以要从总體(tǐ)上把握容易生成低熔点矿物(wù)的化學(xué)成份,对来说,K2O、Na2O处尤為(wèi)突出,因為(wèi)K2O、Na2O都进入玻璃相,而Fe2O3、TiO2将有(yǒu)一部分(fēn)固溶到结晶相(刚玉和莫来石)中,其危害程度较小(xiǎo)。
4、矿物(wù)组成
众所周知,弹性模量与熔点、热膨胀系数一样也反映材料原子间结合力及结构能(néng)量,宏观上可(kě)表示材料抗蠕变变形的能(néng)力,所以共价键的晶體(tǐ)、离子晶體(tǐ)、质点之间结合力强,弹性模量大,不易变形,而分(fēn)子键的结合力弱,弹性模量小(xiǎo),容易变形,这就是人们选用(yòng)刚玉一莫来石制品作為(wèi)高温抗蠕变材料的原因。
从蠕变机理(lǐ)我们已经知道,蠕变常以晶界滑移形式进行,因此对单晶材料,晶界少,抗蠕变性能(néng)优良,反之,多(duō)晶材料,晶界数量增多(duō),滑移路線(xiàn)增多(duō),材料就易发生变形。
5、微观结构
①晶相耐火材料的蠕变主要由其微观结构决定,微观结构对晶體(tǐ)而言,不只表现在晶體(tǐ)的性质如熔点、弹性模量等、种类和数量上,更取决于其尺寸、形状和结合状态,即晶體(tǐ)的界面结构因子。对莫来石组成的材料,蠕变速率几乎不取决于熟料的颗粒组成和数量,主要与其化學(xué)矿物(wù)结构不均性有(yǒu)关,但颗粒间的接触条件具有(yǒu)较大影响,因為(wèi)它基本上决定着材料的性状,一般来说穿叉成网络结构,晶體(tǐ)间结合良好的架状结构,抗蠕变性能(néng)优良,对此钟香崇曾对刚玉-莫来石系的高温性能(néng)作研究时提出,两晶相比例為(wèi)75:25或25:75时都比单一材料的性能(néng)好,就是因為(wèi)在此比例下,晶粒间相互交织充填,构成牢固的网络。从晶界滑移方面来讲晶粒的细化将有(yǒu)助于晶粒间的滑移,使材料具有(yǒu)塑性行為(wèi),这是超导材料采取的一种主要措施,但对抗蠕变性能(néng)来讲,正是要避免此种塑性变形,因此,在选择材料时,要选用(yòng)晶粒尺寸大,结晶良好的材料。
②玻璃相对耐火材料的蠕变性能(néng),其玻璃相尤為(wèi)重要,由于它是高温下材料中的连续的液相,因此其组成性能(néng)分(fēn)布在不同程度上影响蠕变。据文(wén)献报导,在结晶界面形成玻璃相夹杂时,即使该夹层不大,也能(néng)使变形速率急剧加大。另一方面,连续的牢固骨架,即使存在大量强度低的夹杂物(wù)时,也能(néng)显著抗蠕变。也就是说液相存在于粒间角落中,不浸润晶體(tǐ)。在制品烧成和蠕变试验及使用(yòng)过程中,液相与晶相间相互作用(yòng),不仅改变其本身的数量和组成,也改变其相界状态和界面能(néng),影响蠕变活化能(néng)例如,镁砖中低熔点的液相会溶解方镁石晶體(tǐ)表面,使晶體(tǐ)的园度值增高,平衡二面角降低,蠕变速率增加。当应变到一定程度,在压应力的作用(yòng)下,液相被排挤到晶间角落。,当液相中MgO的过饱和并析出晶间方镁石时,可(kě)改善晶间结合状态,有(yǒu)利于减缓其蠕变速率。
总之,液相粘度高,与颗粒间结合良好的材料,抗蠕变优良。这里液相的粘度显得特别重要。液相的数量、分(fēn)布、性质决定耐火材料的抗蠕变性能(néng)。从文(wén)献看,对高铝耐火材料,蠕变性能(néng)有(yǒu)二级高铝砖≥一级高铝砖≥三级高铝砖等。原因是三级高铝砖材料显微结构上主要表现為(wèi)莫来石小(xiǎo)晶體(tǐ)埋置在连续的玻璃基中,而一级高铝砖材料抗蠕变性能(néng)差是由于液相粘度低。高温下液相溶解颗粒边界减小(xiǎo)晶體(tǐ)间的接触；而二级高铝砖材料,有(yǒu)紧密的晶间接触并形成连续交错网络结构,玻璃相分(fēn)布在网络间隙中。
③气孔耐火材料中的气孔,大多(duō)气孔以裂纹形式存在,因此其形状大小(xiǎo)、分(fēn)布,这些结构因子可(kě)以影响蠕变。但据文(wén)献报导,对致密烧结材料,气孔尺寸变化,及气孔尺寸对蠕变变形速率影响较小(xiǎo),主要是气孔率的影响。气孔率高,有(yǒu)效断面减小(xiǎo)应力集中。而且气孔表面,缺陷高度集中,容易造成晶界滑移和扩散,降低抗蠕变性能(néng)。
6、某些工艺因素对蠕变性能(néng)的影响
耐火材料的微观结构是由生产工艺来确定的,它与生产工艺的各道环节息息相关。气孔率的大小(xiǎo)、分(fēn)布、结合剂与熟料颗粒的结合强度、晶體(tǐ)的发育状况及接触、状况等等都是在生产过程中形成的。
①泥料组成当结合相数量从15%增加到45%时,材料密度有(yǒu)所提高,大气孔数量有(yǒu)所减少。当结合相含量為(wèi)5%时,骨料颗粒之间為(wèi)直接接触,因為(wèi)结合剂的数量不足以填充空隙,接触面积小(xiǎo),致使产生较大的局部应力,蠕变性增大。当结合剂含量為(wèi)时,骨料相互脱离,烧结时,形成少量的大气孔,接触面积增大,蠕变形下降,含30%结合剂的材料居中。
骨料颗粒临界粒度的变化,对蠕变性无重大影响,合理(lǐ)的颗粒级配,形成紧密堆积,使试样气孔率下降,蠕变性下降。
②成型压力从陆美亚对刚玉耐火材料的研究来看,压力不大时,颗粒总的接触表面积未得到充分(fēn)扩展,因而在变形过程中,使其滑移状况有(yǒu)所减轻。当成型压力增大时材料密度提高,气孔率减小(xiǎo),降低了匀速蠕变阶段的蠕变速率。
③烧成如前所述,气氛对蠕变的影响也是很(hěn)大的,因此烧成气氛也要根据不同的材料选择合适的气氛,对Al2O3-SiO2系材料要选用(yòng)氧化气氛另外材料的结构取决于高温烧成后所达到的结构状况。因此,要求采取合适的温度制度、压力制度、保温时间、烧成气氛,使材料充分(fēn)烧结,使晶體(tǐ)之间接触良好,从而降低蠕变速率。
但如果生产工艺能(néng)保证制品在成型和烧成过程中,使结合相部分(fēn)充分(fēn)地将熟料颗粒胶结起来,那样,材料的生产工艺对蠕变性几乎无影响。但是若熟料颗粒未受到充分(fēn)的胶结,材料的变形速率增大,且达到较大的值。如果不是以方式选择工艺流程,则工艺对蠕变性的影响相当强烈。
总之,耐火材料的蠕变性能(néng)取决于气孔率,相组成及颗粒之间接触的发展程度。
在耐火材料中的诸相中,玻璃相在发生蠕变时起着的作用(yòng),玻璃相的粘度影响较大。
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