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國內外耐火材料制品抗熱震性試驗方法及采用標準一覽

2019年08月14日 11:35 耐火材料網 yll/文

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    耐火材料在使用過程中,經?;崾艿交肪澄露鵲募本綾浠饔?,導致爐襯耐火材料產生裂紋、剝落甚至損壞。為了評價耐火材料抵抗溫度急劇變化的實際狀況,在耐火材料檢驗中引入了抗熱震性的檢驗項目??谷日鸚允侵改突鴆牧系摯刮露燃本綾浠凰鴰檔哪芰?,是耐火材料力學性能和熱學性能在溫度變化條件下的綜合表現。在本文中,介紹了國內外耐火材料抗熱震性試驗方法,討論了異型、新型耐火材料的抗熱震性試驗。

    國外耐火材料抗熱震性方法概況

    ASTMC38—1989《Panel Spalling Testing Refractory Brick》,其中文名稱為《耐火磚格子散裂試驗》。試驗過程為:試驗磚疊砌成的邊長不小于460mm的正方形鑲板,預熱24h,冷卻,然后按要求次數在加熱爐和噴水霧的鼓風機之間經受急冷急熱,以質量損失與外觀質量檢查評價其熱震損傷程度。

    ASTM C1100-1988《Standard Test Method for Ribbon Thermal Shock Testing of Refractory Materials》,其中文名稱為《耐火材料棱柱體抗熱震性評價方法》。其試驗過程為:長條試樣(長度為228mm的直磚、薄片磚、條等)橫跨燃氣燒嘴。從點火開始,加熱15min,熱面溫度為816~1093℃,然后關閉燃氣,通過噴嘴鼓風冷卻15mm。循環5次,以試樣熱震前后的彈性模量或抗折強度變化率,評價其損傷程度。

    歐洲耐火材料生產者聯合會標準PRE/RS一1《圓柱體試樣水淬冷法》,其試驗過程為:將Φ50mill×50mm的圓柱體試樣于950℃爐中加熱15min,接著在室溫水中淬冷3min,之后干燥,用導致斷裂的熱循環次數表征其抗熱震性;PRE/RS-2《棱柱體試樣空氣淬冷法》,其試驗過程為:將棱柱體試樣加熱至950℃,保持45min,然后置于鐵板上,用一股壓縮空氣噴射5min,之后經受0.3MPa的彎曲應力,當試樣斷裂時,試驗結束,否則,重復熱循環直至斷裂或30次為止。EN993-11:2007《Methods of Test for Dense Shaped Refractory Products—Part11:Determination of Resistance to Thermal Shock》,其中文名稱為《致密定形耐火材料試驗方法—第11部分:抗熱震性試驗方法》。該標準中提到了兩種空氣急冷的抗熱震性試驗方法。方法A:試樣放入950℃的爐膛中加熱,溫度恒定后從爐膛中取出試樣,放入空氣中冷卻,之后在抗折試驗機上加載0.3MPa的破壞力,試樣不損壞,試驗次數有效,直到試樣斷裂,記錄試驗次數,作為評價抗熱震性的指標。方法B:試樣放入950℃的爐膛中加熱,溫度恒定后從爐膛中取出試樣,放入空氣中冷卻,如此熱冷循環4次后,在抗折試驗機上測定試樣的常溫抗折強度,作為評價抗熱震性的指標。DIN51068((Testing of Ceramic Raw and Basic Materials—Determination of Resistance to Thermal Shock—Water Quenching Method for Refractory Bricks》,其中文名稱為《陶瓷原材料和基本材料的測試-抗熱震性的測定-耐火磚用水急冷法》,其試驗的基本過程為:將Φ50mm×50mm的圓柱體試樣于950℃爐中加熱15min,接著在10~20流動水中淬冷3min,之后在110℃烘箱中放置30min,如此循環,直到試樣裂成幾塊或幾大塊為止,用導致斷裂的熱循環次數表征其抗熱震性,如果試樣已經受到30次急冷,也可以中止試驗。

    國內耐火材料抗熱震性方法概況

    目前國內耐火材料抗熱震性現行有效的方法標準有:YB/T376.1-1995《耐火制品抗熱震性試驗方法(水急冷法)》;YB/T376.2-1995《耐火制品抗熱震性試驗方法(空氣急冷法)》;YB/T376.3-2004《耐火制品抗熱震性試驗方法第3部分:水急冷一裂紋判定法》;YB/T2206.1-1998《耐火澆注料抗熱震性試驗方法(壓縮空氣流急冷法)》;YB/T2206.2-1998《耐火澆注料抗熱震性試驗方法(水急冷法)》;JB/T3648.1-1994《電爐用耐火制品試驗方法定形隔熱耐火制品的熱震穩定性》;YB/T4018-1991《耐火制品抗熱震性試驗方法》。

    從標準的試驗原理、冷卻方式、使用范圍、試樣形狀尺寸四方面對國內的耐火材料抗熱震性方法標準做對比,見表1。因為YB/T4018-1991《耐火制品抗熱震性試驗方法》在國內沒有適合于該標準要求的原型機,同時該標準試驗方法也確實不具備操作的可行性,故采用的比較少。

    異型、新型耐火制品的抗熱震性方法

    耐火材料由于工作環境及使用部位的不同,其外觀及規格尺寸千差萬別,現有耐火材料抗熱震性試驗方法并不能完全評價所有的耐火材料的抗熱震性。現就比較典型的不適合國內現行耐火材料抗熱震性試驗方法的幾種耐火材料,如耐火格子磚、耐火球、復合磚鋼纖維增強澆注料,展開相關的討論,同時結合國外耐火材料抗熱震性試驗方法,提出耐火材料抗熱震性試驗方法的新想法、新思路。

    耐火格子磚

    格子磚是目前被世界煉鐵界廣泛認同和接受的一種具有熱交換能力強、蓄熱面積大、通氣順暢、阻力小等諸多優越熱工特性的載熱蓄熱體,目前常用的耐火格子磚有7孔、9孔、12孔、19孔、31孔、37孔等,按成分又分為黏土質、高鋁質、硅質、莫來石質等。如何科學、有效地評價其抗熱震性是一個難題,因為現有的抗熱震性標準要求樣品的形狀為長方體或圓柱體,沒有提到格子磚進行抗熱震性試驗時試樣的尺寸及相關的檢驗細節。為了解決耐火格子磚抗熱震性的評價問題,筆者與檢驗客戶多次溝通后,主要采用以下方法:

    (1)若耐火格子磚足夠大,則從耐火格子磚上切取出230mmx114mmx65mm的長方體多孔試樣,盡量避開試樣的薄弱部位,切取有典型特征的試塊,按照YB/T376.1進行抗熱震性檢驗,最終用受熱端面的破損率及急冷急熱次數來評價耐火格子磚的抗熱震性。

    (2)若耐火格子磚尺寸較小,則從耐火格子磚上切取出帶一個或多個完整孔洞的小尺寸試樣,按照YB/T376.1進行抗熱震性檢驗時,把試樣整體放入加熱爐膛,之后整體水冷。如此反復試驗,查看試樣表面是否碎裂、有無裂紋,如有裂紋測量裂紋的長度、寬度、數量,最終用裂紋長度、寬度、數量以及急冷急熱次數來評價耐火格子磚的抗熱震性。

    (3)采用與耐火格子磚同種材質,成型、燒成環境一致的實心標準耐火磚(尺寸為230mm×114mmx65mm)來代替耐火格子磚,按照YB/T376.1進行抗熱震性檢驗,檢驗結果用受熱端面的破損率及急冷急熱次數來表示。(4)通過改造加熱爐爐膛,使耐火格子磚能夠整體放入加熱爐膛內,進行整體加熱,之后整體水冷。如此反復試驗,查看試樣整體外表面有無裂紋。如有裂紋,測量裂紋的長度、寬度、數量,最終用裂紋長度、寬度、數量以及急冷急熱次數來評價耐火格子磚的抗熱震性?;蛘囈突鷥褡幼┱寮尤?,出爐后放入支架上,用規定壓強、規定距離的壓縮空氣直吹一定時間(可以借鑒標準YB/T376.2)。

    如此反復試驗,查看接觸壓縮空氣的試樣面是否碎裂,有無裂紋。如有裂紋,測量裂紋的長度、寬度、數量,最終用裂紋長度、寬度、數量以及急冷急熱次數來評價耐火格子磚的抗熱震性。上述檢驗手段主要是借鑒國內外現有的抗熱震性檢驗方法,并在此基礎上拓展了思路,對多孔類的耐火制品抗熱震性的評價,提出了一些有意義的建議,能夠不同程度地模擬耐火格子磚在熱風爐中的使用環境,但在具體試驗過程中需要設置更為精確的試驗參數,來完善此類產品的抗熱震性檢驗。

    耐火球

    上文提到的鋼鐵冶系統中的熱風爐,其中還有一種球式熱風爐,在規格較小的熱風爐中較常見,其熱交換介質為耐火球。耐火球規格按直徑分為φ40、φ50、φ60、φ80等牌號,按成分又分為高鋁球鋯剛玉球、鉻剛玉球、鋁鋯鉻復合球等。耐火球的抗熱震性也是在質量控制中需要特別關注的指標之一。在YB/T4232-2010((球式熱風爐用耐火球》6.5中提到了耐火球的抗熱震性的方法:抗熱震性的檢驗參照YB/T376.3進行,裂紋寬度≤0.5mm,試驗繼續進行。

    當出現以下情況之一時,終止試驗:1)裂紋寬度>1.5mm時;2)裂紋寬度≤1.5mm且>1mm,長度大于圓周長30%時;3)裂紋寬度≤1mm,且>0.5mm,長度大于圓周長50%。此方法是在YB/T376.1基礎上,明確了耐火球的判定原則,細化了裂紋的長度及寬度。但是對裂紋的數量沒有提及,估計此類產品表面積相比于耐火格子磚來說較小,故在此環節沒有提及。

    此方法與YB/T376.3—2004《耐火制品抗熱震性試驗方法第3部分:水急冷一裂紋判定法》還有所不同,YB/T376.3—2004中提及試驗過程中如有裂紋,停止試驗,且該標準只適用于測定長水口、浸入式水口、塞棒及定徑水口等耐火材料(此類耐火材料直接接觸鋼水)的抗熱震性。故對于裂紋判定方法的選用,可以大體給出一個思路:

    1) 直接接觸鋼水、鐵水類的耐火制品,在檢驗過程中,使用裂紋法進行判定時,若出現裂紋,試驗結束(防止在實際使用過程中出現透水等安全事故);

    2) 作為熱交換用的耐火材料如耐火格子磚、耐火球,使用裂紋法進行判定時,若出現裂紋,可以根據裂紋的長度、寬度、數量,來決定是否繼續進行試驗;

    3) 與鋼水、鐵水接觸的耐火制品,用裂紋法進行抗熱震性檢驗時,要選用水冷一裂紋法,不直接接觸鋼水、鐵水接觸的耐火制品,用裂紋法進行抗熱震性檢驗時,可以選用水冷一裂紋法,也可以借鑒其他方法思路,選用空氣急冷一裂紋法。以上的討論,借鑒球類的抗熱震性檢驗方法,筆者給其他小型耐火制品提出了一種抗熱震性的評價思路。

    復合磚

    由于鋼鐵冶煉技術的不斷發展,對新型耐火材料也提出了更高的要求,如干熄焦裝置用耐火材料,在于熄爐裝料口,耐火磚受焦炭磨損程度大,溫度變化也大。因此,這些部位選用耐沖刷性、耐磨損、抗熱震性好和抗折強度大的莫來石-nba比分网188磚砌筑。一般的莫來石-碳化硅磚以碳化硅、黏土、高純氧化鋁和SiO微粉或細粉為原料,有時添加少量的硅線石、紅柱石和藍晶石細粉,經成型、燒結,外部通常為莫來石,中心部位為碳化硅的新型復合耐火制品。莫來石-碳化硅磚的這種特性,使得檢驗人員在評價莫來石-碳化硅磚的抗熱震性時不知道如何在莫來石-碳化硅磚上切取抗熱震性試樣。若按照表1中的試樣尺寸取樣(通常按照YB/T376.1水冷法試樣尺寸取樣),則檢驗試樣包含莫來石及碳化硅兩種材質,取樣部位不同,其含量不同,由于莫來石及碳化硅的抗熱震性有所差別,對于不同規格尺寸的莫來石-碳化硅磚,其抗熱震性的檢驗結果差異很大。

    為解決這個問題,筆者在進行此類復合磚抗熱震性時,都會采用以下方法:

    (1)若復合磚外層較薄,則在樣品邊角或中心部位切取同一材質的小尺寸試樣(如30mmx30mmx30mm,這樣就避免了試樣中存在兩種不同材料的情況),具體檢驗過程可按照YB/T376.1或與客戶約定檢驗細節,其檢驗結果可以用有無裂紋或者借鑒YB/T4232-2010((球式熱風爐用耐火球》中關于試樣裂紋長度、寬度的判定方法來表述;

    (2)若復合磚外層較厚,則借鑒德國標準DIN51068《陶瓷原材料和基本材料的測試-抗熱震性的測定-耐火磚用水急冷法》;

    (3)復合磚可以借鑒歐盟標準EN993—11:2007《致密定形耐火材料試驗方法-第11部分:抗熱震性試驗方法》中空氣急冷的抗熱震性試驗方法B,若試樣外部復合層較薄,可以選用20mmx20mmx80mm的試樣,若外部復合層較厚,可以選用40mmx40mm×160mm的試樣;

    (4)復合磚可以借鑒ASTM C38-1989《耐火磚格子散裂試驗》,用復合磚砌筑成正方形鑲板狀,在改造后的加熱爐與噴水霧的鼓風機之間經受急冷急熱,以質量損失與外觀質量檢查評價其熱震損傷程度。(此方法沒有進行過實際檢驗,在這里僅僅提供一種思路。)

    以上幾種方法或思路,大都是借鑒國內外現有的抗熱震性檢驗方法,是否適合復合磚的抗熱震性檢驗,還需要廣大檢驗人員進一步的討論,但是為準確、有效地評價復合磚提供了可能性。復合磚的種類很多,筆者還接觸到一種高鋁復合磚,其一頭為重質層,另一頭為輕質層,重質層與輕質層的材質也不同。通過與檢驗客戶交流,了解到此種高鋁復合磚在使用過程中接觸耐磨介質、溫度變化劇烈的部位均在重質層,故可以以重質層作為檢驗部位,按照YB/T376.1的要求進行抗熱震性檢驗。

    鋼纖維增強耐火澆注料

    標準JC/T499-1992《鋼纖維增強耐火澆注料》(目前該標準已更新到JC/T 499-2013 鋼纖維增強耐火澆注料》中評價產品性能的指標中包含有1100℃~室溫水急冷急熱循環5次后抗折強度,此項目同時評價了鋼纖維增強耐火澆注料的抗熱震性和力學性能。其試驗方法見標準JC/T499-1992附錄A,分析試驗原理及過程(制備的40mm×40mmX160mm試塊放入1100℃的加熱爐中,保溫15min后,拿出試塊放入冷水3min中,之后在空氣中冷卻3min,如此反復5次后測定試塊的抗折強度),此方法部分參照了YB/T2206.1—1998《耐火澆注料抗熱震性試驗方法(壓縮空氣流急冷法)》和YB/T2206.2—1998《耐火澆注料抗熱震性試驗方法(水急冷法)》,并結合以上兩個標準制訂了適合于評價鋼纖維增強耐火澆注料抗熱震性的試驗方法。此方法模擬了急冷急熱的工作環境,同時還對鋼纖維增強耐火澆注料熱震后殘余的強度(用抗折強度表示)給出了量化,與歐盟標準EN993-11:2007中方法B有共通之處。

    總結以上兩種方法,給出了一種耐火材料抗熱震性的評價思路:耐火試樣首先進行固定次數的熱循環操作(可以水冷,也可以風冷),之后測量試樣的殘余強度(可以是抗折強度,也可以是耐壓強度)。試樣抗熱震性試驗后的殘余強度與試樣內部及外部的裂紋有一定的關聯,通常試樣經受溫度急冷急熱變化的過程中,會產生熱應力,熱應力得不到釋放,會造成試樣內部的微裂紋及試樣外部的裂紋、剝落,這時檢測試樣的殘余強度,計算試樣的強度下降率,能夠從宏觀上反映試樣的裂紋程度,從而判斷試樣的抗熱震性是否良好。

    當然,熱震試驗后的耐火試樣也可以采用無損探測的方法,來檢測試樣的內部裂紋,從而判斷試樣的抗熱震性,此類方法國外相關機構經常采用,也給相關的檢驗人員提供了一種評價耐火材料抗熱震性的思路,但對于國內的用戶來說,其檢驗成本較高,不具有實際操作性。

    結 語

    (1) 國內耐火材料抗熱震性的評價方法與國外耐火材料抗熱震性的評價方法都大同小異,這些方法對試驗試樣的形狀、尺寸都做了具體規定。

    (2) 耐火材料抗熱震性試驗方法主要的冷卻方式有水冷、風冷兩種。(3) 耐火材料抗熱震性試驗方法中試樣抵抗溫度急劇變化的評價方式主要有裂紋(寬度、長度、數量)、受熱端面破損率、急冷急熱有效次數、殘余強度、強度下降率、無損探測、質量損失、外觀質量等。(4) 目前國內耐火材料抗熱震性試驗方法適用范圍僅能覆蓋大部分耐火材料,確實存在一些不適用現有方法的耐火材料,尤其是一些異型、新型耐火材料。上文就幾種典型的此類耐火材料的抗熱震性進行了相關的討論,結合國內外現有的抗熱震性試驗方法,提出了一些新的思路,以供標準制修訂機構及標準制修訂工作者進行參考,但是在實際檢驗過程中為了更好模擬耐火材料在高溫設備中溫度急劇變化的工作環境,便于操作,還需要完善抗熱震性檢驗的相關檢驗細節或制定相關的作業指導書。

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