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耐火材料在使用過程中，經(jīng)常會(huì)受到環(huán)境溫度的急劇變化作用，導(dǎo)致爐襯耐火材料產(chǎn)生裂紋、剝落甚至損壞。為了評價(jià)耐火材料抵抗溫度急劇變化的實(shí)際狀況，在耐火材料檢驗(yàn)中引入了抗熱震性的檢驗(yàn)項(xiàng)目。抗熱震性是指耐火材料抵抗溫度急劇變化而不損壞的能力，是耐火材料力學(xué)性能和熱學(xué)性能在溫度變化條件下的綜合表現(xiàn)。在本文中，介紹了國內(nèi)外耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法，討論了異型、新型耐火材料的抗熱震性試驗(yàn)。文末有超值標(biāo)準(zhǔn)福利贈(zèng)送哦。。。一定要看到最后!!
國外耐火材料抗熱震性方法概況
ASTMC38—1989《Panel Spalling Testing Refractory Brick》，其中文名稱為《耐火磚格子散裂試驗(yàn)》。試驗(yàn)過程為：試驗(yàn)磚疊砌成的邊長不小于460mm的正方形鑲板，預(yù)熱24h，冷卻，然后按要求次數(shù)在加熱爐和噴水霧的鼓風(fēng)機(jī)之間經(jīng)受急冷急熱，以質(zhì)量損失與外觀質(zhì)量檢查評價(jià)其熱震損傷程度。
ASTM C1100-1988《Standard Test Method for Ribbon Thermal Shock Testing of Refractory Materials》，其中文名稱為《耐火材料棱柱體抗熱震性評價(jià)方法》。其試驗(yàn)過程為：長條試樣(長度為228mm的直磚、薄片磚、條等)橫跨燃?xì)鉄?。從點(diǎn)火開始，加熱15min，熱面溫度為816～1093℃，然后關(guān)閉燃?xì)?，通過噴嘴鼓風(fēng)冷卻15mm。循環(huán)5次，以試樣熱震前后的彈性模量或抗折強(qiáng)度變化率，評價(jià)其損傷程度。
歐洲耐火材料生產(chǎn)者聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)PRE/RS一1《圓柱體試樣水淬冷法》，其試驗(yàn)過程為：將Φ50mill×50mm的圓柱體試樣于950℃爐中加熱15min，接著在室溫水中淬冷3min，之后干燥，用導(dǎo)致斷裂的熱循環(huán)次數(shù)表征其抗熱震性;PRE/RS-2《棱柱體試樣空氣淬冷法》，其試驗(yàn)過程為：將棱柱體試樣加熱至950℃，保持45min，然后置于鐵板上，用一股壓縮空氣噴射5min，之后經(jīng)受0.3MPa的彎曲應(yīng)力，當(dāng)試樣斷裂時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，否則，重復(fù)熱循環(huán)直至斷裂或30次為止。EN993-11：2007《Methods of Test for Dense Shaped Refractory Products—Part11：Determination of Resistance to Thermal Shock》，其中文名稱為《致密定形耐火材料試驗(yàn)方法—第11部分：抗熱震性試驗(yàn)方法》。該標(biāo)準(zhǔn)中提到了兩種空氣急冷的抗熱震性試驗(yàn)方法。方法A：試樣放入950℃的爐膛中加熱，溫度恒定后從爐膛中取出試樣，放入空氣中冷卻，之后在抗折試驗(yàn)機(jī)上加載0.3MPa的破壞力，試樣不損壞，試驗(yàn)次數(shù)有效，直到試樣斷裂，記錄試驗(yàn)次數(shù)，作為評價(jià)抗熱震性的指標(biāo)。方法B：試樣放入950℃的爐膛中加熱，溫度恒定后從爐膛中取出試樣，放入空氣中冷卻，如此熱冷循環(huán)4次后，在抗折試驗(yàn)機(jī)上測定試樣的常溫抗折強(qiáng)度，作為評價(jià)抗熱震性的指標(biāo)。DIN51068((Testing of Ceramic Raw and Basic Materials—Determination of Resistance to Thermal Shock—Water Quenching Method for Refractory Bricks》，其中文名稱為《陶瓷原材料和基本材料的測試-抗熱震性的測定-耐火磚用水急冷法》，其試驗(yàn)的基本過程為：將Φ50mm×50mm的圓柱體試樣于950℃爐中加熱15min，接著在10～20流動(dòng)水中淬冷3min，之后在110℃烘箱中放置30min，如此循環(huán)，直到試樣裂成幾塊或幾大塊為止，用導(dǎo)致斷裂的熱循環(huán)次數(shù)表征其抗熱震性，如果試樣已經(jīng)受到30次急冷，也可以中止試驗(yàn)。
國內(nèi)耐火材料抗熱震性方法概況
目前國內(nèi)耐火材料抗熱震性現(xiàn)行有效的方法標(biāo)準(zhǔn)有：YB/T376.1-1995《耐火制品抗熱震性試驗(yàn)方法(水急冷法)》;YB/T376.2-1995《耐火制品抗熱震性試驗(yàn)方法(空氣急冷法)》;YB/T376.3-2004《耐火制品抗熱震性試驗(yàn)方法第3部分：水急冷一裂紋判定法》;YB/T2206.1-1998《耐火澆注料抗熱震性試驗(yàn)方法(壓縮空氣流急冷法)》;YB/T2206.2-1998《耐火澆注料抗熱震性試驗(yàn)方法(水急冷法)》;JB/T3648.1-1994《電爐用耐火制品試驗(yàn)方法定形隔熱耐火制品的熱震穩(wěn)定性》;YB/T4018-1991《耐火制品抗熱震性試驗(yàn)方法》。
從標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)原理、冷卻方式、使用范圍、試樣形狀尺寸四方面對國內(nèi)的耐火材料抗熱震性方法標(biāo)準(zhǔn)做對比，見表1。因?yàn)閅B/T4018-1991《耐火制品抗熱震性試驗(yàn)方法》在國內(nèi)沒有適合于該標(biāo)準(zhǔn)要求的原型機(jī)，同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法也確實(shí)不具備操作的可行性，故采用的比較少。
異型、新型耐火制品的抗熱震性方法
耐火材料由于工作環(huán)境及使用部位的不同，其外觀及規(guī)格尺寸千差萬別，現(xiàn)有耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法并不能完全評價(jià)所有的耐火材料的抗熱震性。現(xiàn)就比較典型的不適合國內(nèi)現(xiàn)行耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法的幾種耐火材料，如耐火格子磚、耐火球、復(fù)合磚鋼纖維增強(qiáng)澆注料，展開相關(guān)的討論，同時(shí)結(jié)合國外耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法，提出耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法的新想法、新思路。
耐火格子磚
格子磚是目前被世界煉鐵界廣泛認(rèn)同和接受的一種具有熱交換能力強(qiáng)、蓄熱面積大、通氣順暢、阻力小等諸多優(yōu)越熱工特性的載熱蓄熱體，目前常用的耐火格子磚有7孔、9孔、12孔、19孔、31孔、37孔等，按成分又分為黏土質(zhì)、高鋁質(zhì)、硅質(zhì)、莫來石質(zhì)等。如何科學(xué)、有效地評價(jià)其抗熱震性是一個(gè)難題，因?yàn)楝F(xiàn)有的抗熱震性標(biāo)準(zhǔn)要求樣品的形狀為長方體或圓柱體，沒有提到格子磚進(jìn)行抗熱震性試驗(yàn)時(shí)試樣的尺寸及相關(guān)的檢驗(yàn)細(xì)節(jié)。為了解決耐火格子磚抗熱震性的評價(jià)問題，筆者與檢驗(yàn)客戶多次溝通后，主要采用以下方法：
(1)若耐火格子磚足夠大，則從耐火格子磚上切取出230mmx114mmx65mm的長方體多孔試樣，盡量避開試樣的薄弱部位，切取有典型特征的試塊，按照YB/T376.1進(jìn)行抗熱震性檢驗(yàn)，最終用受熱端面的破損率及急冷急熱次數(shù)來評價(jià)耐火格子磚的抗熱震性。
(2)若耐火格子磚尺寸較小，則從耐火格子磚上切取出帶一個(gè)或多個(gè)完整孔洞的小尺寸試樣，按照YB/T376.1進(jìn)行抗熱震性檢驗(yàn)時(shí)，把試樣整體放入加熱爐膛，之后整體水冷。如此反復(fù)試驗(yàn)，查看試樣表面是否碎裂、有無裂紋，如有裂紋測量裂紋的長度、寬度、數(shù)量，最終用裂紋長度、寬度、數(shù)量以及急冷急熱次數(shù)來評價(jià)耐火格子磚的抗熱震性。
(3)采用與耐火格子磚同種材質(zhì)，成型、燒成環(huán)境一致的實(shí)心標(biāo)準(zhǔn)耐火磚(尺寸為230mm×114mmx65mm)來代替耐火格子磚，按照YB/T376.1進(jìn)行抗熱震性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果用受熱端面的破損率及急冷急熱次數(shù)來表示。(4)通過改造加熱爐爐膛，使耐火格子磚能夠整體放入加熱爐膛內(nèi)，進(jìn)行整體加熱，之后整體水冷。如此反復(fù)試驗(yàn)，查看試樣整體外表面有無裂紋。如有裂紋，測量裂紋的長度、寬度、數(shù)量，最終用裂紋長度、寬度、數(shù)量以及急冷急熱次數(shù)來評價(jià)耐火格子磚的抗熱震性?；蛘邔⒛突鸶褡哟u整體加熱，出爐后放入支架上，用規(guī)定壓強(qiáng)、規(guī)定距離的壓縮空氣直吹一定時(shí)間(可以借鑒標(biāo)準(zhǔn)YB/T376.2)。
如此反復(fù)試驗(yàn)，查看接觸壓縮空氣的試樣面是否碎裂，有無裂紋。如有裂紋，測量裂紋的長度、寬度、數(shù)量，最終用裂紋長度、寬度、數(shù)量以及急冷急熱次數(shù)來評價(jià)耐火格子磚的抗熱震性。上述檢驗(yàn)手段主要是借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有的抗熱震性檢驗(yàn)方法，并在此基礎(chǔ)上拓展了思路，對多孔類的耐火制品抗熱震性的評價(jià)，提出了一些有意義的建議，能夠不同程度地模擬耐火格子磚在熱風(fēng)爐中的使用環(huán)境，但在具體試驗(yàn)過程中需要設(shè)置更為精確的試驗(yàn)參數(shù)，來完善此類產(chǎn)品的抗熱震性檢驗(yàn)。
耐火球
上文提到的鋼鐵冶系統(tǒng)中的熱風(fēng)爐，其中還有一種球式熱風(fēng)爐，在規(guī)格較小的熱風(fēng)爐中較常見，其熱交換介質(zhì)為耐火球。耐火球規(guī)格按直徑分為φ40、φ50、φ60、φ80等牌號，按成分又分為高鋁球鋯剛玉球、鉻剛玉球、鋁鋯鉻復(fù)合球等。耐火球的抗熱震性也是在質(zhì)量控制中需要特別關(guān)注的指標(biāo)之一。在YB/T4232-2010((球式熱風(fēng)爐用耐火球》6.5中提到了耐火球的抗熱震性的方法：抗熱震性的檢驗(yàn)參照YB/T376.3進(jìn)行，裂紋寬度≤0.5mm，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。
當(dāng)出現(xiàn)以下情況之一時(shí)，終止試驗(yàn)：1)裂紋寬度>1.5mm時(shí);2)裂紋寬度≤1.5mm且>1mm，長度大于圓周長30%時(shí);3)裂紋寬度≤1mm,且>0.5mm，長度大于圓周長50%。此方法是在YB/T376.1基礎(chǔ)上，明確了耐火球的判定原則，細(xì)化了裂紋的長度及寬度。但是對裂紋的數(shù)量沒有提及，估計(jì)此類產(chǎn)品表面積相比于耐火格子磚來說較小，故在此環(huán)節(jié)沒有提及。
此方法與YB/T376.3—2004《耐火制品抗熱震性試驗(yàn)方法第3部分：水急冷一裂紋判定法》還有所不同，YB/T376.3—2004中提及試驗(yàn)過程中如有裂紋，停止試驗(yàn)，且該標(biāo)準(zhǔn)只適用于測定長水口、浸入式水口、塞棒及定徑水口等耐火材料(此類耐火材料直接接觸鋼水)的抗熱震性。故對于裂紋判定方法的選用，可以大體給出一個(gè)思路：
1) 直接接觸鋼水、鐵水類的耐火制品，在檢驗(yàn)過程中，使用裂紋法進(jìn)行判定時(shí)，若出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)結(jié)束(防止在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)透水等安全事故);
2) 作為熱交換用的耐火材料如耐火格子磚、耐火球，使用裂紋法進(jìn)行判定時(shí)，若出現(xiàn)裂紋，可以根據(jù)裂紋的長度、寬度、數(shù)量，來決定是否繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn);
3) 與鋼水、鐵水接觸的耐火制品，用裂紋法進(jìn)行抗熱震性檢驗(yàn)時(shí)，要選用水冷一裂紋法，不直接接觸鋼水、鐵水接觸的耐火制品，用裂紋法進(jìn)行抗熱震性檢驗(yàn)時(shí)，可以選用水冷一裂紋法，也可以借鑒其他方法思路，選用空氣急冷一裂紋法。以上的討論，借鑒球類的抗熱震性檢驗(yàn)方法，筆者給其他小型耐火制品提出了一種抗熱震性的評價(jià)思路。
復(fù)合磚
由于鋼鐵冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，對新型耐火材料也提出了更高的要求，如干熄焦裝置用耐火材料，在于熄爐裝料口，耐火磚受焦炭磨損程度大，溫度變化也大。因此，這些部位選用耐沖刷性、耐磨損、抗熱震性好和抗折強(qiáng)度大的莫來石-碳化硅磚砌筑。一般的莫來石-碳化硅磚以碳化硅、黏土、高純氧化鋁和SiO微粉或細(xì)粉為原料，有時(shí)添加少量的硅線石、紅柱石和藍(lán)晶石細(xì)粉，經(jīng)成型、燒結(jié)，外部通常為莫來石，中心部位為碳化硅的新型復(fù)合耐火制品。莫來石-碳化硅磚的這種特性，使得檢驗(yàn)人員在評價(jià)莫來石-碳化硅磚的抗熱震性時(shí)不知道如何在莫來石-碳化硅磚上切取抗熱震性試樣。若按照表1中的試樣尺寸取樣(通常按照YB/T376.1水冷法試樣尺寸取樣)，則檢驗(yàn)試樣包含莫來石及碳化硅兩種材質(zhì)，取樣部位不同，其含量不同，由于莫來石及碳化硅的抗熱震性有所差別，對于不同規(guī)格尺寸的莫來石-碳化硅磚，其抗熱震性的檢驗(yàn)結(jié)果差異很大。
為解決這個(gè)問題，筆者在進(jìn)行此類復(fù)合磚抗熱震性時(shí)，都會(huì)采用以下方法：
(1)若復(fù)合磚外層較薄，則在樣品邊角或中心部位切取同一材質(zhì)的小尺寸試樣(如30mmx30mmx30mm，這樣就避免了試樣中存在兩種不同材料的情況)，具體檢驗(yàn)過程可按照YB/T376.1或與客戶約定檢驗(yàn)細(xì)節(jié)，其檢驗(yàn)結(jié)果可以用有無裂紋或者借鑒YB/T4232-2010((球式熱風(fēng)爐用耐火球》中關(guān)于試樣裂紋長度、寬度的判定方法來表述;
(2)若復(fù)合磚外層較厚，則借鑒德國標(biāo)準(zhǔn)DIN51068《陶瓷原材料和基本材料的測試-抗熱震性的測定-耐火磚用水急冷法》;
(3)復(fù)合磚可以借鑒歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN993—11：2007《致密定形耐火材料試驗(yàn)方法-第11部分：抗熱震性試驗(yàn)方法》中空氣急冷的抗熱震性試驗(yàn)方法B，若試樣外部復(fù)合層較薄，可以選用20mmx20mmx80mm的試樣，若外部復(fù)合層較厚，可以選用40mmx40mm×160mm的試樣;
(4)復(fù)合磚可以借鑒ASTM C38-1989《耐火磚格子散裂試驗(yàn)》，用復(fù)合磚砌筑成正方形鑲板狀，在改造后的加熱爐與噴水霧的鼓風(fēng)機(jī)之間經(jīng)受急冷急熱，以質(zhì)量損失與外觀質(zhì)量檢查評價(jià)其熱震損傷程度。(此方法沒有進(jìn)行過實(shí)際檢驗(yàn)，在這里僅僅提供一種思路。)
以上幾種方法或思路，大都是借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有的抗熱震性檢驗(yàn)方法，是否適合復(fù)合磚的抗熱震性檢驗(yàn)，還需要廣大檢驗(yàn)人員進(jìn)一步的討論，但是為準(zhǔn)確、有效地評價(jià)復(fù)合磚提供了可能性。復(fù)合磚的種類很多，筆者還接觸到一種高鋁復(fù)合磚，其一頭為重質(zhì)層，另一頭為輕質(zhì)層，重質(zhì)層與輕質(zhì)層的材質(zhì)也不同。通過與檢驗(yàn)客戶交流，了解到此種高鋁復(fù)合磚在使用過程中接觸耐磨介質(zhì)、溫度變化劇烈的部位均在重質(zhì)層，故可以以重質(zhì)層作為檢驗(yàn)部位，按照YB/T376.1的要求進(jìn)行抗熱震性檢驗(yàn)。
鋼纖維增強(qiáng)耐火澆注料
標(biāo)準(zhǔn)JC/T499-1992《鋼纖維增強(qiáng)耐火澆注料》(目前該標(biāo)準(zhǔn)已更新到JC/T 499-2013 鋼纖維增強(qiáng)耐火澆注料》中評價(jià)產(chǎn)品性能的指標(biāo)中包含有1100℃～室溫水急冷急熱循環(huán)5次后抗折強(qiáng)度，此項(xiàng)目同時(shí)評價(jià)了鋼纖維增強(qiáng)耐火澆注料的抗熱震性和力學(xué)性能。其試驗(yàn)方法見標(biāo)準(zhǔn)JC/T499-1992附錄A，分析試驗(yàn)原理及過程(制備的40mm×40mmX160mm試塊放入1100℃的加熱爐中，保溫15min后，拿出試塊放入冷水3min中，之后在空氣中冷卻3min，如此反復(fù)5次后測定試塊的抗折強(qiáng)度)，此方法部分參照了YB/T2206.1—1998《耐火澆注料抗熱震性試驗(yàn)方法(壓縮空氣流急冷法)》和YB/T2206.2—1998《耐火澆注料抗熱震性試驗(yàn)方法(水急冷法)》，并結(jié)合以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制訂了適合于評價(jià)鋼纖維增強(qiáng)耐火澆注料抗熱震性的試驗(yàn)方法。此方法模擬了急冷急熱的工作環(huán)境，同時(shí)還對鋼纖維增強(qiáng)耐火澆注料熱震后殘余的強(qiáng)度(用抗折強(qiáng)度表示)給出了量化，與歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN993-11：2007中方法B有共通之處。
總結(jié)以上兩種方法，給出了一種耐火材料抗熱震性的評價(jià)思路：耐火試樣首先進(jìn)行固定次數(shù)的熱循環(huán)操作(可以水冷，也可以風(fēng)冷)，之后測量試樣的殘余強(qiáng)度(可以是抗折強(qiáng)度，也可以是耐壓強(qiáng)度)。試樣抗熱震性試驗(yàn)后的殘余強(qiáng)度與試樣內(nèi)部及外部的裂紋有一定的關(guān)聯(lián)，通常試樣經(jīng)受溫度急冷急熱變化的過程中，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力得不到釋放，會(huì)造成試樣內(nèi)部的微裂紋及試樣外部的裂紋、剝落，這時(shí)檢測試樣的殘余強(qiáng)度，計(jì)算試樣的強(qiáng)度下降率，能夠從宏觀上反映試樣的裂紋程度，從而判斷試樣的抗熱震性是否良好。
當(dāng)然，熱震試驗(yàn)后的耐火試樣也可以采用無損探測的方法，來檢測試樣的內(nèi)部裂紋，從而判斷試樣的抗熱震性，此類方法國外相關(guān)機(jī)構(gòu)經(jīng)常采用，也給相關(guān)的檢驗(yàn)人員提供了一種評價(jià)耐火材料抗熱震性的思路，但對于國內(nèi)的用戶來說，其檢驗(yàn)成本較高，不具有實(shí)際操作性。
結(jié) 語
(1) 國內(nèi)耐火材料抗熱震性的評價(jià)方法與國外耐火材料抗熱震性的評價(jià)方法都大同小異，這些方法對試驗(yàn)試樣的形狀、尺寸都做了具體規(guī)定。
(2) 耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法主要的冷卻方式有水冷、風(fēng)冷兩種。(3) 耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法中試樣抵抗溫度急劇變化的評價(jià)方式主要有裂紋(寬度、長度、數(shù)量)、受熱端面破損率、急冷急熱有效次數(shù)、殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度下降率、無損探測、質(zhì)量損失、外觀質(zhì)量等。(4) 目前國內(nèi)耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法適用范圍僅能覆蓋大部分耐火材料，確實(shí)存在一些不適用現(xiàn)有方法的耐火材料，尤其是一些異型、新型耐火材料。上文就幾種典型的此類耐火材料的抗熱震性進(jìn)行了相關(guān)的討論，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的抗熱震性試驗(yàn)方法，提出了一些新的思路，以供標(biāo)準(zhǔn)制修訂機(jī)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作者進(jìn)行參考，但是在實(shí)際檢驗(yàn)過程中為了更好模擬耐火材料在高溫設(shè)備中溫度急劇變化的工作環(huán)境，便于操作，還需要完善抗熱震性檢驗(yàn)的相關(guān)檢驗(yàn)細(xì)節(jié)或制定相關(guān)的作業(yè)指導(dǎo)書。
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