湘潭市儀器儀表有限公司
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現存的一些耐火材料性能檢測方法,就其适應性而言,主要存在以下5方面的不足:①實驗室檢測條件與實際使用條件不一緻;②性能檢測多在無約束條件下進行,而實際中材料會受到各種應力,且不同區域所受應力不同,造成了檢測結果與耐火材料的使用性能不對應;③時效的影響沒有充分考慮;④多破壞因素的協同作用未充分體現;⑤理化指标範圍規定得不合理。
1.實驗室檢測條件與實際使用條件不一緻
①抗熱震性檢測方法。耐火材料抗熱震性的檢測方法有多種,如水冷或空冷後觀察開裂程度法、水冷或空冷後測殘餘強度法、臨界溫差法、X-射線透射法和超聲波法等。這些方法共性的不足,就是檢測條件與耐火材料實際所受熱震條件有較大差異。抗熱震性測試條件與實際條件的差異主要體現在冷卻條件上。首先,實際使用條件下的冷卻強度不可能達到檢測方法(如水冷)冷卻強度。在此不妨用一個不盡恰當的比喻:如果我們用初中生的考試卷來考小學生,應考者可能都考不及格,但還是有差别的。可能有50分的不及格,有30分的不及格,因為我們選用的考試卷(評價方法)不合理,所以區分不出高低。其次,熱震溫度通常選擇1000℃或1100℃,模拟的是耐火材料在實際使用中熱震的溫度差值,而非真實高低溫度的變化。②抗渣性檢測方法。耐火材料的抗渣性是其重要的高溫性能。耐火材料被熔渣的侵蝕是其與熔渣發生化學反應的過程。影響化學反應進程的擴散、濃度、溫度、黏度等因素,同樣影響耐火材料的侵蝕過程。常見的耐火材料抗渣性檢測方法有坩埚法、靜态浸漬法、回轉抗渣法、感應爐法等。對感應爐法和回轉抗渣法,可多次加渣,消除了熔渣濃度引起的偏差,且二者屬于動态抗渣法,即在一定程度上可模拟熔渣或金屬熔液對耐火材料的沖刷作用。但在具體操作中,試樣内部的溫度及應力情況與實際情形仍然相差甚遠,基本都是在空氣中進行,不控制氣氛,氧的分壓較高,對含有金屬、炭素及非氧化物的耐火材料,會加速其氧化。這些因素,造成檢測手段與實際情況存在不适應性。如何改進檢測方法,盡可能減少這些不适應性,值得探讨和實踐。
2.無約束與有約束條件的不一緻
耐火材料的許多性能在實驗室條件下測試時,往往是沒有外力約束的,如耐火度、熱膨脹、加熱*線變化、熱态抗折強度、水冷或空冷法測熱震穩定性等等。而在實際使用中,耐火材料并不處在自由狀态,會受到來自襯體自重和其他機械應力的約束,使它們的性能與無約束情況下有所不同。而目前的設計、性能指标确定和測試,對外應力的影響考慮不足,耐火材料在有約束和無約束條件下的性能是有差異的,例如在有荷重條件下,熱膨脹量通常要小于自由膨脹量。國外較重視有約束條件下的性能測試,如美國早已有ASTMC832-00标準,規定了檢測有荷重條件下耐火材料熱膨脹和蠕變的标準測試方法。我國2008年前一直沒有這類在有約束條件下檢測熱膨脹的标準,zui近拟出了GB/T7320-2008标準,其中示差法熱膨脹試驗方法,儀器和方法與荷軟相同,與EN993-19誜2004标準(緻密定型耐火制品試驗方法第十九部分,示差法熱膨脹的測定)接軌了,值得我國耐火材料工作者重視和踐行。
3.時效的影響
有的耐火材料使用壽命是以年、十幾年乃至幾十年來計算的(如有的軋鋼加熱爐、高爐、熱風爐、焦爐等),現行的即使像高溫蠕變長達50小時的測試,也不足以反映長時間後的行為。典型的例子是有的熱風爐用低蠕變磚,交貨時的荷重軟化溫度、抗蠕變性指标是優良的,但使用不長時間(如2~3年)後,則嚴重變形甚至釀成塌爐事故,其原因就是沒有考慮磚中雜質随時間延長而産生的破壞作用。相比之下,歐美國家的檢測比較注重時效的影響。如研究熱态抗折強度,有的保溫時間長達24小時;對耐火纖維制品加變化的考察,有的長達500小時。耐火材料的疲勞問題和使用環境介質的時效影響不容忽視,目前尚缺乏測試和評價方法。
4.多因素的共同破壞作用
耐火材料在實際使用中往往受到多因素的共同破壞。目前在研究和測試中,往往是針對某個性能而開展的,很難同時考察多因素的共同作用。這與耐火材料實際研發和應用中,對多種性能要統籌考慮的需要不相适應。可喜的是,近年來,國内外在研究和檢測方法上呈現出多因素一體化的趨勢,例如循環流化床鍋爐等用耐火耐磨料在使用溫度下的熱态耐磨性(溫度+耐磨)、熱震+抗渣、應力+熱震、真空+抗渣、變溫+抗蠕變等複合型檢測方法,正在積極發展中。
5.理化指标的不合理性
我國的耐火材料國家或行業标準中,理化指标數值範圍規定有一定的不科學、不合理性。常見的指标數值範圍多是“>、≥”或“<、≤”,很少有“~”出現。這會有“越高越好或越低越好”誤導的可能性。一是造成質量功能富裕過多而浪費,二是會降低或削減其他性能。如某種産品燒後的常溫耐壓強度指标标準是>80MPa,實際使用時60MPa,*可以滿足使用要求,生産時将指标控制在80~100MPa較為經濟合理。若我們将實際産品指标做到120MPa,那麼高出的20MPa強度質量功能就浪費掉了。試想要提高其強度,材料盡可能地燒結良好,接近緻密化,這勢必影響到其抗熱震性,如果該材料在溫度波動不是太大的條件下使用尚可,否則其使用壽命将會受到一定的影響。再如,有時我們從提高耐火材料抗侵蝕性的目的出發,盡可能地提高材料的純度,但高純材料就意味着難以燒結、不夠緻密,熔渣易于滲透,增加了産生結構剝落的風險性。
耐火材料的各項性能相互關聯、互相消長,應根據具體的使用工況全面兼顧,“德才兼備”才能達到選材合理。對一定的使用環境,耐火材料的性能指标有個合理的範圍,使經濟性與技術性相互匹配,才能達到提高性價比、提高适宜性的目的。