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方面的,而且许多因素又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以下几点：

下面将具体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,达到匀速蠕变速率的时间就越长反之,如果在高温高荷重情况下,那么蠕变曲线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过程中,由于气氛的不同,将对其蠕变影响很大。如硅砖在氧化气氛下,即使含有的液相时,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。其实各种含有SiO2的各种耐火材料都有这种现象,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解温度降低,大大影响高铝耐火材料的蠕变。

3、化学组成

可以说耐火材料的化学组成将决定耐火材料的各种性能,对蠕变性能而言,由于耐火材料的蠕变性能取决于连续相—玻璃相,而玻璃相主要是低熔物,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对烧结矾土相组成,显微结构和热机械性能影响时发现,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;另一种说法认为随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,可以明显看出它们影响的大小。

总之,由于化学组成决定材料的矿物组成,而各种矿物综合构成材料的构造从而显示出其独特性能。所以要从总体上把握容易生成低熔点矿物的化学成份,对来说,K2O、Na2O处尤为突出,因为K2O、Na2O都进入玻璃相,而Fe2O3、TiO2将有一部分固溶到结晶相(刚玉和莫来石)中,其危害程度较小。

4、矿物组成

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量,宏观上可表示材料抗蠕变变形的能力,所以共价键的晶体、离子晶体、质点之间结合力强,弹性模量大,不易变形,而分子键的结合力弱,弹性模量小,容易变形,这就是人们选用刚玉一莫来石制品作为高温抗蠕变材料的原因。

从蠕变机理我们已经知道,蠕变常以晶界滑移形式进行,因此对单晶材料,晶界少,抗蠕变性能优良,反之,多晶材料,晶界数量增多,滑移路线增多,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,微观结构对晶体而言,不只表现在晶体的性质如熔点、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,即晶体的界面结构因子。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,主要与其化学矿物结构不均性有关,但颗粒间的接触条件具有较大影响,因为它基本上决定着材料的性状,一般来说穿叉成网络结构,晶体间结合良好的架状结构,抗蠕变性能优良,对此钟香崇曾对刚玉-莫来石系的高温性能作研究时提出,两晶相比例为75:25或25:75时都比单一材料的性能好,就是因为在此比例下,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助于晶粒间的滑移,使材料具有塑性行为,这是超导材料采取的一种主要措施,但对抗蠕变性能来讲,正是要避免此种塑性变形,因此,在选择材料时,要选用晶粒尺寸大,结晶良好的材料。

②玻璃相对耐火材料的蠕变性能,其玻璃相尤为重要,由于它是高温下材料中的连续的液相,因此其组成性能分布在不同程度上影响蠕变。据文献报导,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时,也能显著抗蠕变。也就是说液相存在于粒间角落中,不浸润晶体。在制品烧成和蠕变试验及使用过程中,液相与晶相间相互作用,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,影响蠕变活化能例如,镁砖中低熔点的液相会溶解方镁石晶体表面,使晶体的园度值增高,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,可改善晶间结合状态,有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、分布、性质决定耐火材料的抗蠕变性能。从文献看,对高铝耐火材料,蠕变性能有二级高铝砖≥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为莫来石小晶体埋置在连续的玻璃基中,而一级高铝砖材料抗蠕变性能差是由于液相粘度低。高温下液相溶解颗粒边界减小晶体间的接触；而二级高铝砖材料,有紧密的晶间接触并形成连续交错网络结构,玻璃相分布在网络间隙中。

③气孔耐火材料中的气孔,大多气孔以裂纹形式存在,因此其形状大小、分布,这些结构因子可以影响蠕变。但据文献报导,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,主要是气孔率的影响。气孔率高,有效断面减小应力集中。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。

6、某些工艺因素对蠕变性能的影响

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、分布、结合剂与熟料颗粒的结合强度、晶体的发育状况及接触、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,材料密度有所提高,大气孔数量有所减少。当结合相含量为5%时,骨料颗粒之间为直接接触,因为结合剂的数量不足以填充空隙,接触面积小,致使产生较大的局部应力,蠕变性增大。当结合剂含量为时,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扩展,因而在变形过程中,使其滑移状况有所减轻。当成型压力增大时材料密度提高,气孔率减小,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,使材料充分烧结,使晶体之间接触良好,从而降低蠕变速率。

但如果生产工艺能保证制品在成型和烧成过程中,使结合相部分充分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,玻璃相的粘度影响较大。

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