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耐火材料的高温蠕变形计算方法及提高

2020-10-20 15:52:00 点击:

高温蠕变性
在耐火材料检测中,高温蠕变性是评定耐火材料性能质量的重要指标之一,耐火材料在恒定高温和一定荷重作用下产生的变形与时间关系,即为材料的高温蠕变性。当材料在高温下承受小于其极限强度的某一荷载时,必然产生塑性变形,它的变形量会随时间的增长而逐渐增加,甚至会使材料破坏。此种蠕变现象,无疑对耐火材料的使用更为重要,因为对在高温下的耐火材料同时考虑了3个因素:强度、温度和时间。
由于施加在耐火材料上的荷重方式不同,可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变和高温扭转蠕变等,其中常使用的是高温压缩蠕变(简称压蠕变)。
耐火制品压蠕变的定义为:承受压应力的制品随着时间变化而发生的等温变形。
通常压力为0.2MPa,试样要求为带中心孔的圆柱体,直径50mm ± 0.5mm, 高50mm ±0. 5mm,中心孔直径12 ~ 13mm,并与圆柱体共轴。
 
耐火材料在高温、荷重条件下变形量(%)与时间h的形变曲线,影响因素较多,一般来说有如下几个方面:
(1) 使用条件:温度、荷重、时间、气氛性质(是氧化性或还原性);
(2) 材质:化学组成(杂质成分和其含量尤为重要)、矿物组成(是单相或复相,熔点,尤其玻璃相的组成和数量)。
(3) 显微结构:如结晶相、玻璃相、晶相相互关系、气孔大小与含量、分布等。
在使用时,对耐火材料的蠕变指标,因使用条件不同,用户各有不同要求。 
高温蠕变与荷重软化温度的异同:共同点都是在一定静荷重下按照一定的升温速度,测定试样发生的变形量。不同点:荷重软化温度是在以上条件下测定试样各种变形量的相应温度,例如测定试样自膨胀高点压缩至原试样高度的0.6%时的相应温度;而蠕变是在某一高温时(如1550℃、1500℃、1450℃、1400℃等)恒温在一定静荷重下测定单位时间的变形量或者是达到某种变形量所需的时间,即时间与变形量的关系。
 
耐火材料的高温蠕变性怎么计算?
当耐火材料在高温下承受小于其极限强度的某一定荷重时,产生塑性变形,变形量会随时间的延长而逐渐增加,甚至会使耐火材料破坏,这种现象叫蠕变。在设计高温窑炉时,根据耐火材料的荷重软化试验和残存收缩率,在一定程度上可以推测耐火材料的高温体积稳定性。耐火材料的高温蠕变性是指制品在恒定的高温条件下受应力作用随着时间的变化而发生的变形。
高温蠕变的检测方法为:恒压下,以一定速度升温,到达指定温度后长时间保温,记录随时间的变化试样在高度方向的变形量,计算蠕变率。计算公式为:
P=(Ln-Lo)/L1*100%
式中P--耐火材料制品试样的高温压缩蠕变率,%;
Ln--试样恒温nh后的高度,mm;
Lo--试样恒温开始后的高度,mm;
L1--试样原始高度,mm。
耐火材料在高温、荷重条件的变形量及时间-形变曲线,是随着材质、升温速率、恒温温度、荷载大小等诸多因素的变化而变化的,而且差异极大。因此,对于不同材质的制品,应根据其使用条件单独规定高温蠕变试验温度等条件。
 
耐火材料的高温蠕变性提高3大捷径 
高温蠕变性是指在某一恒定的高温以及固定载荷下,耐火材料的形变与时间的关系。
高温窑炉的使用寿命有的长达几年,甚至十几年。终,耐火材料的高温损毁并不是因强度原因破坏,而是高温、强度、时间三者综合作用的结果。例如,热风炉的格子砖经长时间的高温工作,特别是下部的砖体在荷重和高温的作用下,砖体逐渐软化产生塑性变形,强度下降直至破坏;特别注意的是,因温度、结构的不均匀,部分砖体塑性变形严重,会导致窑炉构筑体的整体性破坏。
因此,提高耐火材料抗蠕变性,研究耐材在高温下应力作用产生的组织结构变化;检验制品质量;评价生产工艺;窑炉设计中预测耐火制品在实际应用中承受负荷的变化;评价制品的使用性能等具有非常重要的意义。
一般来讲,提高耐火材料抗蠕变性,主要通过以下三种途径:
1、纯化原料:提高原料的纯度或对原料进行提纯,尽量减少低熔物和强熔剂等杂质成分(如,粘土砖中的Na2O、硅砖中的Al2O3、镁砖中的SiO2和CaO等)的含量,从而降低制品中的玻璃相含量(这是提高该性能的推荐方法);
2、强化基质:引入“逆蠕变效应”物质。如在高铝砖配料中引入一定尺寸的石英颗粒,高铝砖在高温下使用时,其中石英SiO2和高铝原料中的Al2O3持续发生莫来石的合成反应,反应过程伴随有一定程度的体积膨胀。这种体积膨胀的作用既是“逆蠕变效应”,可以抵消材料蠕变时的收缩变形,从而提高了高铝砖的抗蠕变性能。
3、改进工艺:合理设计配合料的颗粒级配,提高坯体的成型压力,获得高致密度坯体,减少制品中的气孔数量,使制品抗蠕变的有效成分增加;合理制定烧成制度(烧成温、保温时间、加热及冷却速度),使材料中的必要物化反应充分进行,获得需要的物相组成和组织结构。
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