定形耐火材料的高温耐磨性研究.pdf

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1、2009/5耐火材料/REFRACT ORIES331定 形 耐 火 材 料 的 高 温 耐 磨 性 研 究王晓利1)彭西高1,2)石 干1)孙加林2)1)中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 河南省特种耐火材料重点实验室 河南洛阳4710392)北京科技大学 材料科学与工程学院 北京100083摘 要 用高温耐磨试验装置研究了高铝砖、刚玉砖、氮化硅结合碳化硅砖和黏土结合碳化硅砖4种定形制品在高温下的耐磨性。结果表明:耐火制品的磨损量随温度的变化曲线可分为两种类型,非氧化物材料(氮化硅结合碳化硅砖)的磨损量-温度曲线接近水平直线,即在整个试验温度区域中(251 400)磨损量几乎没有变化;氧化物

2、(或氧化物结合)耐火制品(高铝砖、刚玉砖和黏土结合碳化硅砖)在一定温度范围内磨损量变化不大,温度达到某值以上,磨损量大幅度降低,此温度对应为该种材料开始塑性变形温度。高铝砖、刚玉砖、黏土结合碳化硅砖磨损量开始明显下降的温度点分别为800、1 000和600。影响不同材质耐火砖的高温耐磨性的因素有物相组成、玻璃相性质以及工艺因素等。关键词 定形耐火制品,耐磨性,高温,冲蚀磨损冲蚀磨损是工业生产设备常见的一种磨损形式1,高温条件下固体粒子的冲蚀磨损是造成工业窑炉衬体材料损坏的一个重要因素。随着耐磨耐火材料在循环流化床锅炉、垃圾焚烧炉等领域的广泛应用,要求其具有较高的抗冲蚀磨损性能。近年来,国内外众

3、多学者对耐火材料的磨损研究做了大量工作,但是大多是常温下的磨损研究2-3。然而,常温条件下测试的耐磨性并不能反映耐火材料在高温条件下的耐磨性,相同的耐火材料在常温下和高温下的矿物相性质是不同的,尤其是材料的结合相,并由此影响耐火材料的高温耐磨性。对于中、高温条件下耐火材料磨损研究的报道较少,仅有几篇关于高铝-碳化硅质、高铝质等水泥结合浇注料的高温耐磨性研究4-5。本工作选择高铝砖、刚玉砖、氮化硅结合碳化硅砖和黏土结合碳化硅砖4种循环流化床锅炉、垃圾焚烧炉常用的定形耐火制品作为研究对象,探索不同材质定形耐火制品的高温耐磨特征。31 试验1.1 试样制备采用的样品为高铝砖、刚玉砖、氮化硅结合碳化硅

4、砖和黏土结合碳化硅砖4种定形耐火制品,将其切割成100 mm100 mm30 mm的试样。4种定形制品的理化性能指标见表1。表1 不同材质定形制品的化学组成和物理性能Table 1 Chem ical compositions and physical p roperties ofshaped products试样种类高铝砖刚玉砖氮化硅结合碳化硅砖黏土结合碳化硅砖w/%Al2O377.9299.17-SiC-74.6080.15体积密度/(gcm-3)2.593.182.682.57显气孔率/%22191317常温抗折强度/MPa15184233常温耐压强度/MPa9590144157荷重软化

5、开始温度/1 5031 7001 7001 4981.2 试验设备和方法试验用高温耐磨试验机是采用GB/T 18301常温耐磨性试验方法 的测试原理,由洛阳谱瑞慷达公司生产的高温耐磨试验机,它采用密闭的双仓结构,避免冷高压空气进入样品仓,从而减少了样品仓的热量流失,保持了样品仓温度的稳定。在高压空气喷吹过程中,试样表面的温度变化稳定在20 以内。样品室通过硅碳棒发热体加热至试验温度,并在试验温度保温30 min;磨损介质采用标准碳化硅砂(36#)。磨损量A采用体积变化计算方法,其具体方法按GB/T 18301 常温耐磨性试验方法 进行。2009年10月第43卷 第5期耐火材料NA IHUO C

6、A I L I AO3313343 王晓利:女,1982年生,硕士研究生。E2mail:收稿日期:2009-01-08编辑:卜相娟332NAI HUO CAI LI AO/耐火材料2009/52 结果与讨论2.1 温度对耐火制品高温耐磨性的影响图1为4种耐火制品磨损量与试验温度的关系曲线。从图1中可以看出:高铝砖、刚玉砖和黏土结合碳化硅砖3种氧化物(或氧化物结合)耐火材料的高温磨损量曲线有一个共同特征:在一定温度范围内,磨损量变化不大;但温度超过某值,磨损量大幅度降低。其原因可能为,随温度的升高,耐火制品内部结构会发生由弹性到塑性的转变:材料处于弹性温度段时,随温度的升高,材料组织结构无变化,

7、因此磨损量的变化也不大;材料处于塑性温度段时(如高铝砖的塑性阶段为8001 2006),材料内部少量低熔点矿物熔化(或玻璃相软化)变形导致材料产生塑性,高温条件下该塑性对磨损介质的冲击有一定的缓冲作用,材料的塑性变形吸收磨损介质的冲击动能5,阻碍裂纹的产生和扩展,所以磨损量明显降低。对于高铝砖,随试验温度升高,材料塑性变形程度增加,材料磨损量下降幅度增加。图1 耐火制品磨损量与试验温度的关系曲线(A-T)Fig.1 Abrasion volume loss-temperature curves of shapedproducts虽然耐火制品随温度的升高内部结构会发生由弹性到塑性的转变,但由于材

8、质或结合相的差异,材料出现塑性的温度不同,因此,对应的材料磨损量开始大幅度降低的温度点也不相同。从图1可以看出,刚玉砖磨损量开始降低的温度点为1 000,而高铝砖在800,因为高铝砖的杂质含量较高,会在较低温度产生液相,使材料处于塑性状态,磨损量开始大幅度降低。同样原因黏土结合碳化硅砖磨损量开始大幅度下降的温度点约在600。非氧化物材料氮化硅结合碳化硅砖的高温磨损量曲线具有另一特征,在整个试验温度范围其磨损量几乎没有变化,其磨损量-温度曲线接近水平直线。氮化硅结合碳化硅材料所用原料纯度较高,最终生成的氮化硅将坚硬的碳化硅结合起来,形成致密的网络结构。由于氮化硅和碳化硅均为共价键极强的化合物,在

9、高温状态下仍保持较高的键合能力,材料不含低熔点物相,在试验温度范围内,氮化硅结合碳化硅砖仍处于弹性温度范围,所以磨损量随温度的升高几乎没有变化。在1 000以上,砖的磨损量稍有降低,是氧化气氛下试样表面被氧化生成氧化硅薄膜造成增重对磨损量计算产生影响的结果。2.2 材质对耐火制品高温耐磨性的影响图2为4种耐火制品在1 000和1 200 时磨损量的比较。从图2中可以看出:(1)1 000 时,两种碳化硅砖磨损量较低,耐磨性较强。这是因为两种碳化硅砖的主晶相均为SiC,SiC的Si与C间高键能共价键结构赋予了材料高硬度,其莫氏硬度达到9.5。而刚玉砖和高铝砖中主晶相为刚玉相和莫来石,莫氏硬度分别

10、为9和67。所以从矿物相组成的角度来看,碳化硅砖具有更好的耐磨性。(2)1 000时,氮化硅结合碳化硅砖比黏土结合碳化硅砖有更好的耐磨性。分析其原因可能是:氮化硅结合碳化硅砖中矿物相组成为碳化硅和氮化硅,这两种矿物相的硬度高,强度大;而黏土结合碳化硅材料物相主要是碳化硅,还有少量莫来石和玻璃相,从矿物组成来看,显然前者耐磨性更好。图24种耐火制品在1 000和1 200 时的磨损量Fig.2 Abrasion vo lume loss of shaped products at 1 000 and1 200(3)1 000时刚玉砖的磨损量大于高铝砖的。刚玉砖和高铝砖的主晶相分别为刚玉和莫来石、

11、刚玉,显然刚玉比莫来石更耐磨,从矿物相组成的角度无法说明这一现象。从试样的显微结构(见图3)来分析,高铝砖的基质与骨料结合得较好,颗粒与基质之间形成较密实的过渡带,使其结构较致密;而刚玉砖中的刚玉骨料与基质之间的结合程度欠佳,基质的烧结状态也不及高铝砖。所以当磨损介质冲蚀试样表面时,由于基质与骨料结合得不牢固,基质部分容易被冲刷掉,留下裸露的骨料,使其磨损量更大。而高铝砖中基质与骨料结合得较好,磨损介质冲蚀试样表面时,基质与骨料被磨损的程度较为均匀,磨损量要小一些(两种材料1 000磨损后试样表面见图耐火材料/NA IHUO CA I L I AO2009年第43卷2009/5耐火材料/REF

12、RACT ORIES3334)。因此对于这两种材料的耐磨性而言,工艺因素比矿物组成起更重要的作用。(4)1 200 时,4种耐火砖的磨损量排列顺序与1 000 的有较大差异。1 200 高铝砖的磨损量最小,其次为黏土结合碳化硅砖,再次为氮化硅结合碳化硅砖,刚玉砖的磨损量最大。高纯的刚玉砖和氮化硅结合碳化硅砖内部结构受温度升高的影响小,而黏土结合碳化硅砖和高铝砖杂质含量均较高,在高温下玻璃相的黏度降低,对磨损介质有较大的缓冲作用,提高材料的耐磨性,其作用超过物相类型对耐磨性的影响,尤其以高铝砖为甚,这就是1 200高铝砖的耐磨性甚至优于两种碳化硅砖的原因。3 结论(1)耐火制品的耐磨性随温度的变

13、化趋势可以分为两种类型:非氧化物材料(氮化硅结合碳化硅砖)的磨损量-温度曲线接近水平直线,即在整个试验温度区域中磨损量几乎没有变化;氧化物耐火制品类的耐磨性随温度的变化趋势可以分为弹性阶段和塑性阶段,材料处于弹性段,随温度的升高,磨损量几乎无变化;继续升高温度,当材料达到塑性变形阶段,磨损量大幅度降低。(2)不同材质耐火制品产生塑性变形的温度不同,耐火制品磨损量开始大幅度降低的温度点不同,高铝砖、刚玉砖、黏土结合碳化硅砖磨损量开始明显下降的温度点分别为800、1 000和600。(3)耐火材料的矿物组成会影响其高温耐磨性能,以耐磨矿物相为主晶相的耐火材料更耐磨。1 000 以下,以碳化硅为主晶

14、相的碳化硅砖高温耐磨性优于分别以刚玉、莫来石为主晶相的刚玉砖和高铝砖,而高铝砖的耐磨性好于刚玉砖的,是由于工艺方面的因素影响 材料的烧结状态;1 200 下,耐火材料的玻璃相黏度降低,能缓冲磨损,提高材料的耐磨性,其作用超过矿物相种类对耐磨性的影响。参考文献1 李诗卓,董祥林.材料的冲蚀磨损与微动磨损M.北京:机械工业出版社,1987:2-5.2 彭西高,孙加林,李福燊,等.冲击参数对氧化铝基耐火材料常温耐磨性的影响J.耐火材料,2008,42(3):178-183.3 刘根容.耐磨耐火浇注料的开发与应用 J.耐火材料,1999,33(2):87-89.4Simmat R,Brggmann C

15、,Krause O,et al.High temperature abrasionresistence of refractory products C /Proc of UN ITECR07,Dres2den,Germany,2007:514-517.5Brggmann C,Krause O,Ptschke J,et al.High temperature abrasion第5期 王晓利,等:定形耐火材料的高温耐磨性研究 2009年10月334NAI HUO CAI LI AO/耐火材料2009/5resistence of cement2based refractoriesC/48thIn

16、ternationalCollo2quium on Refractories,Aachen,Ger many,2005:35-39.6 任国斌,尹汝珊,张海川,等.Al2O3-SiO2系实用耐火材料M.北京:冶金工业出版社,1988:302-306.Abrasion resistance of shaped refracto ries at elevated temperature/W ang Xiao li,Peng Xigao,Shi Gan,et al/Naihuo Cailiao.-2009,43(5):331Ab ras ion res is tance of four kinds

17、of shap ed refrac tory p roduc ts(high a lum ina b rick,corundum b rick,s ili2con nitride bonded s ilicon ca rb ide b rick and c lay bonded s ilicon ca rb ide b rick)a t e leva ted tem p e ra turew as resea rched us ing high tem p e ra ture ab ras ion res is tance tes te r.The result show s tha t th

18、e re a re tw okinds of re la tion curves of the ab ras ion volum e loss of shap ed p roduc ts vs tem p e ra ture.The curve of non2oxide S i3N4bonded S iC b rick is a l m os t a s tra ight line,w hich m eans the ab ras ion va lue a l m os t has nochange during the w hole exp e ri m enta l tem p e ra

19、ture(25-1 400).Ab ras ion va lue of oxide or oxide bond2ed refrac tory p roduc ts(high a lum ina b rick,corundum b rick,c lay bonded s ilicon ca rb ide b rick)has littlechange during a ce rta in tem p e ra ture range,and it d rop s sha rp ly above a fixed tem p e ra ture a t w hich them a te ria l b

20、eg ins to have p las tic deform a tion.The p las tic deform a tion tem p e ra tures of high a lum ina b rick,co2rundum b rick and c lay bonded s ilicon ca rb ide b rick a re800,1 000and600,resp ec tive ly.The fac tors af2fec ting the ab ras ion res is tance of shap ed p roduc ts a t e leva ted tem p

21、 e ra ture a re p hase com p os itions,g lassp hase,technica l p rocess fac tor,and so on.Key words:Shap ed p roduc ts,Ab ras ion res is tance,H igh tem p e ra ture,Eros ionAutho rs address:Henan Key Labora tory ofAdvanced Refrac tories,S inos tee lLuoyang Ins titute of Refrac to2ries Resea rch Co.,

22、Ltd.,Luoyang471039,Henan,China(上接330页)Effect of synthesis p rocess of do lom a clinker on co rro sion resistance of MgO-CaObrick/Pan Bo,Yin Guoxiang,Zhang Cui m in,et al/Naihuo Cailiao.-2009,43(5):328The m ixture w ith45%light ca lc ined dolom ite p ow de r d iges ted by w a te r and55%light ca lc i

23、ned m agnes itep ow de r w as p rep a red firs t.The conventiona l dolom a c linke r w as synthes ized by g rind ing the m ixture to0.074mm,p e lle tizing by w e tm e thod p ress ing,ca lc ining a t1 800and hold ing for16h w ith coke as fu2e l.H igh p urity dolom a c linke r w as synthes ized by g r

24、ind ing the m ixture to0.045mm,p e lle tizing by d rym e thod p ress ing,ca lc ining a t1 850and hold ing for8h w ith heavy oil as fue l.The chem ica l com p os itionsof tw o kinds of synthes ized dolom a c linke rs w e re de te rm ined and the m ic ros truc tures of the c linke rs w e reobse rved w

25、 ith SEM.M gO-CaO b ricks w e re m ade us ing the t w o dolom a c linke rs and w e re used forAOD.The i m p urity com p os itions of the used b ricks w e re ana lyzed.The results show tha t:(1)the p urity and den2s ity of high p urity dolom a c linke r a re sup e rior to those of conventiona l dolom

26、 a c linke r;(2)the corros ion re2s is tance of the b rick p rep a red us ing high p urity dolom a c linke r is be tte r than tha t p rep a red us ing conven2tiona l dolom a c linke r.Key words:D olom a c linke r,M agnes ia-ca lc ia b rick,Synthes is p rocess,Corros ion res is tanceAutho rs address:School of M a te ria ls Sc ience and Eng inee ring,U nive rs ity of Sc ience and TechnologyBe ijing,B e ijing100083,China耐火材料/NA IHUO CA I L I AO2009年第43卷