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耐熱鋼纖維對高純度剛玉質澆注料性能的影響

編輯:耐火澆注料   時間:2019-12-10    瀏覽:   
高純度剛玉質澆注料主要以板狀剛玉、α-Al2O3超微粉、純鋁酸鹽水泥、高效減水劑配制而成,因其具有純度 高、強度大、抗熔渣侵蝕性強、壽命長等優點,廣泛應用于煉鋼熱工設備上。但是,存在的現實問題是:澆注體因煉 鋼熱工設備存在間歇式生產導致溫度變化、內部溫度梯度差異導致產生熱應力裂紋,以及維修時外部機械撞擊導致產 生機械應力裂紋,致使澆注體表面剝落、開裂,使用壽命下降,甚至造成生產事故。

鑒于耐火材料屬于脆性材料,在澆注料中引入具有高彈性模量、高抗拉強度的耐熱不銹鋼纖維可以起到增韌補強 的效果,它將改變澆注料的內部應力分布,阻止裂紋擴展,提高澆注料在高溫下的抗機械沖擊和抗急冷急熱性能。同 時,鋼纖維在澆注料中均勻分散,形成網絡架狀起到牽引搭橋的作用,當澆注體出現裂紋后可以把澆注料產生的裂紋 界面連接起來, 使澆注料在開裂后仍能承載工作。

在本工作中,研究了鋼纖維最佳加入量及耐熱鋼纖維對高純度剛玉質澆注料性能的影響。

1 試驗

1.1 原料

高純度剛玉質澆注料的主要原料有板狀剛玉顆粒、板狀剛玉粉、CL370C、71#水泥。主要原料的化學組成見表 1。
其它外加劑有防爆纖維、高效減水劑和耐熱鋼纖維。所用耐熱鋼纖維牌號為446#,形狀似舟形匣缽,長度為27- 30mm,寬度為0.8-1.1mm,厚度為0.3-0.5mm。

其化學組成(%)為:C≤0.30%,Si≤3.0%,Mn 1.0%~1.5%,Cr 24%~27%,P≤0.04%,Ni 0.45%,Gu<0.2 5%,B<0.003%,S<0.03%。抗拉強度(20℃)為490MPa,彈性模量為2.06TPa,線膨脹系數為12.5×10-6/K。

1.2 設計方案

基礎配方為:骨料采用板狀剛玉(6-15mm、6-3mm、3-1mm、1-0.5mm、0.5-0mm)70%,基質料采用板狀 剛玉粉和CL370粉20%,結合劑采用71#水泥7%,外加劑 3%,有機纖維0.1%(外加)。在上述配方的基礎上,分別外 加質量分數為1%、1.5%、2%、2.5%、3%和3.5%的耐熱鋼纖維。

2 試驗過程

2.1 配制工藝

首先準確稱量耐火骨料、粉料、結合劑和外加劑,倒入強制攪拌機干混1min;之后加水濕混,同時將耐熱鋼纖維 均勻撒進料中,不得成團放入;最后混煉1min即可出料。總混煉時間不得少于5min。

2.2 制樣

采用振動臺振動澆注成型為40mm×40mm×160mm的試樣6組,自然養護24h后脫模,于110℃烘干24h后,分 別在1000℃、1350℃和1500℃保溫3h煅燒,然后檢測燒后試樣的線變化率、體積密度、抗折強度、耐壓強度和抗熱 震性等性能。

3 結果與分析

鋼纖維加入量對不同溫度處理后試樣體積密度的影響見圖1。可以看出,隨耐熱鋼纖維加入量的增加,110℃烘 干后試樣的體積密度整體呈微增長趨勢,1000-1500℃熱處理后試樣的體積密度波動較大;在鋼纖維加入量為2.5% 時,中、高溫處理后試樣表現出較高的體積密度,隨后其加入量大于2.5%時,試樣體積密度基本呈下降趨勢。

圖1  鋼纖維加入量對試樣體積密度的影響

鋼纖維加入量對不同溫度處理后試樣線變化的影響見圖2。可以看出,110℃烘干后試樣均發生少量收縮,其線變 化波動于-0.09%和0之間;1000℃熱處理后的試樣除鋼纖維添加1%時收縮,其它添加量時都表現為膨脹,其線變化率 在-0.09%-0.31%之間波動。1350℃和1500℃熱處理后試樣均發生膨脹,并且其線膨脹率基本隨耐熱鋼纖維加入量的 增加而呈增大趨勢。究其原因:一方面由于鋼纖維的熱膨脹系數較大,在高溫下的膨脹量大于澆注料基體材料的收縮; 另一方面因為高溫下,α-Al2O3與純鋁酸鹽水泥帶入的CaO反應生成大量的CA6及CA2等礦物晶體,伴隨體積膨脹。

圖2  鋼纖維加入量對試樣燒后線變化的影響

鋼纖維加入量對不同溫度處理后試樣常溫抗折強度的影響見圖3。可以看出,隨耐熱鋼纖維加入量的增加,11 0℃烘干和1000℃熱處理后試樣的常溫抗折強度基本呈增大趨勢。在鋼纖維加入量為2%時,試樣常溫抗折強度最低;1 350℃熱處理后試樣常溫抗折強度呈不規則變化,在鋼纖維加入量為2.5%時,試樣常溫抗折強度最高;1500℃熱處理 后試樣的常溫抗折強度不規則變化,在鋼纖維加入量為2%時,試樣常溫抗折強度顯著降低。在鋼纖維加入量為1. 5%、2.5%、3.5%時,試樣常溫抗折強度表現良好;110℃烘干后試樣的常溫抗折強度整體上要比1000℃和1350℃熱 處理后的高,但隨著熱處理溫度從1350℃升高到1500℃,試樣高溫下出現液相燒結,并形成CA6和CA2礦物相,在 基質中形成網絡結構,提高了試樣的燒后強度。

圖3  鋼纖維加入量對試樣常溫抗折強度的影響

鋼纖維加入量對不同溫度熱處理后試樣常溫耐壓強度的影響見圖4。可以看出,110℃烘干后試樣的常溫耐壓強 度總體上要比中高溫熱處理后的高。隨著鋼纖維加入量的增加,耐壓強度先增加后下降,在鋼纖維加入量為3%時達到 最大值;1000℃熱處理后試樣的耐壓強度隨鋼纖維的增加上下波動,在1.5%和3%時強度較差;1350℃熱處理后試樣的 耐壓強度隨鋼纖維的增加基本呈下降趨勢,在1%、1.5%和2.5%時強度較佳;1500℃熱處理后試樣的耐壓強度隨鋼纖 維的增加呈不規則變化,在1%和2.5%時強度最佳。



1100℃水冷循環5次后試樣的殘余抗折強度和殘余耐壓強度見圖5。可以看出,隨著鋼纖維加入量的增加,110 0℃水冷循環5次后試樣的殘余抗折強度基本保持逐漸增加趨勢,在鋼纖維加入量為3.0%時達到最大;在3.5%時,試樣 殘余抗折強度略有降低。殘余耐壓強度在鋼纖維加入量從1%增加到1.5%時下降,從1.5%增加到2.5%時呈上升趨勢; 在鋼纖維加入量為2.5%時,試驗殘余耐壓強度達到最大;隨后在3%和3.5%時,試驗殘余耐壓強度有所減小。

圖4鋼纖維加入量對試樣常溫耐壓強度的影響
圖5  1  100°C水冷循環5次后試樣的殘余抗折強度和殘余耐壓強度

4 結論
(1)隨耐熱鋼纖維加入量的增加,110℃烘干后試樣的體積密度整體呈微增長趨勢,110℃和1000℃熱處理后試樣 的常溫抗折強度基本呈增大

趨勢,1350℃熱處理后試樣常溫抗折強度在鋼纖維加入量為205%時最高;1500℃熱處理后試樣的常溫抗折強度 在鋼纖維加入量為2%時顯著降低,而試樣在鋼纖維加入量為1.5%、2.5%和3.5%時,其常溫抗折強度表現良好。

(2)隨耐熱鋼纖維加入量的增加,110℃烘干后試樣耐壓強度近似呈先增加后下降趨勢,在鋼纖維加入量為2.5% 和3%時強度理想;1000℃熱處理后試樣的耐壓強度隨鋼纖維的增加上下波動,在1.5%和3%時強度較差;1350℃熱處理 后試樣的耐壓強度隨鋼纖維的增加基本呈下降趨勢,在1%、1.5%和2.5%時強度較佳;1500℃熱處理后試樣的耐壓強 度在鋼纖維加入量為1%和2.5%時最佳。

(3)隨耐熱鋼纖維加入量的增加,1100℃水冷循環5次后試樣的殘余抗折強度基本保持逐漸增加趨勢,在鋼纖維加 入量為3.0%時達到最大;試樣殘余耐壓強度在鋼纖維加入量為2.5%時達到最大。因此,可以認為在高純度剛玉質澆注 料中加入耐熱鋼纖維2.5%或3%時,其抗熱震性能效果最好。

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