Анализ повреждений огнеупоров в желобах коксовых печей сухого тушения показывает, что повышение прочности на изгиб и термостойкости огнеупорных материалов является эффективным способом продления срока их службы. Введение стальных волокон в отливки из муллита и карбида кремния обеспечивает армирование и ударную вязкость, тем самым продлевая срок их службы. Тип связующего имеет решающее значение для конструкции и характеристик огнеупорных бетонных изделий. В этой статье рассматривается влияние трех связующих:-цемента на основе чистого алюмината кальция (Secar 71), золя кремнезема и алюмо-порошка силикагеля- на структуру и свойства бетонных изделий для выбора подходящего связующего.
Общие физические свойства
После сушки при 110 градусах и термической обработки при 1000 градусах образец, связанный с цементом из алюмината кальция,-имеет наименьшую кажущуюся пористость и самую высокую объемную плотность, что указывает на то, что цемент-связываетсяотливки из карбида кремнияимеет лучшие свойства текучести, что облегчает формирование проб. Образец, связанный цементом из алюмината кальция-, подвергся значительному обезвоживанию при температуре 850 градусов, что привело к увеличению кажущейся пористости и снижению объемной плотности. После термообработки при температуре 1000 градусов образец спекался и давал усадку, увеличивая свою плотность.
Прочность на изгиб и сжатие при комнатной-температуре образцов с различными связующими увеличивалась с увеличением температуры термообработки. После высыхания при температуре 110 градусов образец, связанный цементом из алюмината кальция, имел самую высокую прочность на изгиб - 7,5 МПа, тогда как образец, связанный с порошком силикагеля оксида алюминия, имел самую низкую прочность. Это указывает на то, что химическая реакция между цементом и водой затвердевает и затвердевает, что приводит к наивысшей прочности, что наиболее способствует строительной безопасности огнеупорных бетонных изделий. После термообработки при 850 градусах прочность на изгиб при комнатной- температуре образцов с тремя связующими существенно не отличалась. Образец, связанный цементом из алюмината кальция, имел самую высокую прочность на сжатие при комнатной-температуре - 53,6 МПа. После термообработки при 1000 градусах образец, связанный цементом из алюмината кальция, имел самую высокую прочность на изгиб при комнатной-температуре - 14,3 МПа, тогда как образец, связанный с порошком силикагеля оксида алюминия-, имел самую высокую прочность на сжатие при комнатной-температуре - 70,2 МПа. Это указывает на то, что фазы моноалюмината кальция (СА), диалюмината кальция (СА2) и додекалюмината кальция (С12А7), полученные гидратацией алюминатного цемента кальция, обладают высокой прочностью сцепления. Нано-Al2O3 и SiO2 в порошке алюмо-силикагеля реагируют с образованием муллитовой связующей фазы, которая может повысить прочность отливки из карбида кремния.
Распределение пор по размерам
После термообработки при 1000 градусах средний размер пор образцов, связанных цементом из алюмината кальция (группа А), составил 0,23 мкм при среднем диаметре 0,74 мкм. Распределение пор по размерам было наиболее концентрированным (от 0,01 мкм до 2 мкм). Образцы, связанные золем кремнезема (группа B), имели наименьший средний размер пор 0,13 мкм со средним диаметром 0,40 мкм и более широкое распределение пор по размерам (от 0,01 мкм до 4 мкм). Образцы, связанные порошком алюмо-силикагеля (группа C), имели наибольший средний размер пор, 0,28 мкм, со средним диаметром 0,77 мкм. Распределение пор по размерам варьировалось от 0,01 мкм до 6 мкм, но распределение пор по размерам было сконцентрировано в диапазоне от 0,01 до 1 мкм.
Высокая-прочность на изгиб при высоких температурах
Образец,-связанный с золем кремнезема, имел самую высокую-прочность на изгиб при высоких-температурах - 13,7 МПа. Образцы, -связанные цементом и-порошком силикагеля-глинозема-, имели более низкую-прочность на изгиб при высоких-температурах - 7,8 МПа и 8,3 МПа соответственно. Это связано с тем, что нано-SiO2 в силиказоле образует кремний-кислородную сетку внутри образца и обладает высокой реакционной способностью. При температуре 1000 градусов он легко реагирует с активным микропорошком -Al2O3, образуя сетку муллита, повышая прочность образца. Порошок оксида алюминия-силикагеля содержит меньше SiO2, поэтому муллитовая сетка, образующаяся в образце при температуре 1000 градусов, не такая прочная, как у образца, связанного с золем кремнезема-, что приводит к более низкой-прочности на изгиб при высоких-температурах. Цемент на основе алюмината кальция содержит определенное количество CaO, который легко реагирует с SiO2 и Al2O3 в материале при высоких температурах с образованием фаз с низкой -точкой плавления-, таких как 3CaO×Al2O3 и 2CaO×Al2O3×SiO2. Эти фазы затем становятся жидкими при высоких температурах, снижая прочность образца на изгиб при высоких-температурах.
Устойчивость к термическому удару
Образец, связанный с золем кремнезема-, показал самую высокую остаточную прочность на изгиб - 7,8 МПа. Образец, связанный порошком силикагеля оксида алюминия-, показал самую низкую остаточную прочность на изгиб - 5,3 МПа. Образец, связанный цементом на основе алюмината кальция, продемонстрировал как высокую остаточную прочность на изгиб, так и сохранение прочности на изгиб. Превосходная термостойкость образцов, связанных с цементом из алюмината кальция,-и с кремнезолем-, может быть обусловлена их концентрированным распределением пор по размерам и структурой кремний-кислородной сетки, соответственно. В гетерогенных многофазных огнеупорных материалах различия в коэффициентах теплового расширения между фазами приводят к образованию многочисленных микротрещин в отливках из карбида кремния во время несоответствия теплового расширения. Эти микротрещины не только поглощают энергию упругой деформации, уменьшая движущую силу первичного роста трещины, но также рассеивают напряжение, сосредоточенное в вершине трещины, рассеивая энергию, необходимую для распространения трещины, и улучшая термостойкость материала.
Износостойкость
Испытания на истирание проводились на образцах с различными связующими после спекания при температуре 1000 градусов. Результаты показали, что образцы, связанные с алюминатным цементом-и алюмо{3}}порошком силикагеля-, показали меньший износ, при этом образец со связкой из алюминатного цемента-наименьший износ - 3,75 см³, а образец с коллоидным кремнеземом-связанный - самый высокий износ - 7,58 см3. Для гетерогенных огнеупорных материалов, состоящих из заполнителя и матрицы, эрозионный износ обычно сначала удаляет матрицу, оставляя выступающие изолированные островковые -подобные частицы в качестве основной цели износа. Затем эти частицы отпадают, образуя трещины и еще больше повреждая окружающую матрицу. Образцы, связанные алюминатным цементом-, имели более высокую плотность, образуя связи Si-O-Al между порошком SiO₂ и гидратом цемента, что приводило к более прочному матричному соединению и лучшей износостойкости. В образцах, связанных порошком алюмо-силикагеля-, нано-Al₂O₃ вступил в реакцию с SiO₂, образуя муллитовую матрицу, повышая износостойкость. Образцы, связанные с коллоидным кремнеземом-, имели многочисленные микротрещины в матрице, что делало их менее устойчивыми к эрозионному износу.
Микроструктурный анализ
После термообработки при 1000 градусах образцы, связанные с алюминатно-кальциевым цементом-, продемонстрировали наиболее прочную связь между матрицей и заполнителем, что способствовало их более высокой плотности, прочности и износостойкости. Кроме того, матрица содержала многочисленные микротрещины, что приводило к концентрированному распределению пор по размерам и превосходной термостойкости. Образцы, связанные с золем кремнезема-, имели многочисленные пустоты и микротрещины, что способствовало их высокой кажущейся пористости, широкому распределению пор по размерам и плохой износостойкости. Кроме того, наличие крупной кремнеземной-кислородной сетчатой структуры способствовало их высокой-прочности на изгиб при высоких-температурах и превосходной стойкости к термическому удару. Образцы, скрепленные оксидом алюминия-порошком силикагеля-, продемонстрировали лучшее сцепление между заполнителем и матрицей благодаря большой столбчатой сетке муллита в матрице, что привело к превосходным механическим свойствам и износостойкости.
