Phân tích hư hỏng vật liệu chịu lửa trong các trụ máng của lò luyện cốc tôi khô cho thấy rằng việc cải thiện độ bền uốn và khả năng chống sốc nhiệt của vật liệu chịu lửa là một cách hiệu quả để kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng. Việc đưa sợi thép vào vật liệu đúc cacbua silic mullite mang lại khả năng gia cố và độ bền, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng. Loại chất kết dính rất quan trọng đối với cấu trúc và hiệu suất của vật liệu đúc chịu lửa. Bài viết này xem xét tác động của ba chất kết dính-xi măng canxi aluminat nguyên chất (Secar 71), silica sol và alumino-bột gel silica-lên cấu trúc và tính chất của vật liệu đúc để xác định chất kết dính thích hợp.
Tính chất vật lý chung
Sau khi sấy khô ở 110 độ và xử lý nhiệt ở 1000 độ, mẫu xi măng aluminat canxi-có độ xốp biểu kiến thấp nhất và mật độ khối cao nhất, cho thấy rằng xi măng-được liên kếtvật liệu đúc cacbua siliccó đặc tính dòng chảy tốt nhất, tạo điều kiện cho việc hình thành mẫu. Mẫu xi măng aluminat canxi-đã trải qua quá trình khử nước đáng kể ở nhiệt độ 850 độ, dẫn đến độ xốp biểu kiến tăng lên và mật độ khối giảm. Sau khi xử lý nhiệt ở 1000 độ, mẫu thiêu kết và co lại, tăng mật độ.
Độ bền uốn-ở nhiệt độ phòng và độ bền nén của các mẫu có chất kết dính khác nhau tăng lên khi tăng nhiệt độ xử lý nhiệt. Sau khi sấy khô ở 110 độ, mẫu được liên kết với xi măng aluminat canxi có cường độ uốn cao nhất, ở mức 7,5 MPa, trong khi mẫu được liên kết với bột gel alumina-silica có cường độ thấp nhất. Điều này chỉ ra rằng phản ứng hóa học giữa xi măng và nước đông đặc và cứng lại, dẫn đến cường độ cao nhất, có lợi nhất cho sự an toàn khi xây dựng vật liệu đúc chịu lửa. Sau khi xử lý nhiệt ở 850 độ, độ bền uốn ở nhiệt độ phòng-của mẫu với ba chất kết dính không khác biệt đáng kể. Mẫu được liên kết với xi măng canxi aluminat có cường độ nén ở nhiệt độ phòng{10}}cao nhất là 53,6 MPa. Sau khi xử lý nhiệt ở 1000 độ, mẫu được liên kết với xi măng canxi aluminat có cường độ uốn ở nhiệt độ phòng-cao nhất, ở mức 14,3 MPa, trong khi mẫu được liên kết với bột gel alumina-silica có cường độ nén ở nhiệt độ phòng-cao nhất, ở mức 70,2 MPa. Điều này chỉ ra rằng các pha canxi monoaluminate (CA), canxi dialunate (CA2) và canxi dodecaluminate (C12A7) được tạo ra bởi quá trình hydrat hóa xi măng canxi aluminate có độ bền liên kết cao. Nano-Al2O3 và SiO2 trong bột gel alumino-silica phản ứng tạo thành pha liên kết mullite, có thể tăng cường độ bền của vật liệu đúc cacbua silic.
Phân bố kích thước lỗ chân lông
Sau khi xử lý nhiệt ở 1000 độ, kích thước lỗ trung bình của các mẫu liên kết với xi măng canxi aluminate (Nhóm A) là 0,23 μm, với đường kính trung bình là 0,74 μm. Sự phân bố kích thước lỗ chân lông tập trung nhất (0,01 μm đến 2 μm). Các mẫu được liên kết với silica sol (Nhóm B) có kích thước lỗ trung bình nhỏ nhất, 0,13 μm, với đường kính trung bình là 0,40 μm và phân bổ kích thước lỗ rỗng rộng hơn (0,01 μm đến 4 μm). Các mẫu được liên kết bằng bột gel alumino{12}}silica (Nhóm C) có kích thước lỗ trung bình lớn nhất là 0,28 μm, với đường kính trung bình là 0,77 μm. Sự phân bố kích thước lỗ rỗng dao động từ 0,01 μm đến 6 μm, nhưng sự phân bố kích thước lỗ chân lông tập trung trong khoảng 0,01 đến 1 μm.
Độ bền uốn ở nhiệt độ cao-
Mẫu liên kết silica sol-có độ bền uốn ở nhiệt độ-cao nhất, ở mức 13,7 MPa. Các mẫu liên kết xi măng-và bột gel silica{5}}alumina-có liên kết có cường độ uốn ở nhiệt độ-cao thấp hơn, tương ứng ở mức 7,8 MPa và 8,3 MPa. Điều này là do nano{11}}SiO2 trong silica sol tạo thành mạng lưới oxy-silic bên trong mẫu và có tính phản ứng cao. Ở 1000 độ, nó dễ dàng phản ứng với vi bột -Al2O3 hoạt động để tạo thành mạng lưới mullite, nâng cao độ bền của mẫu. Bột alumina{20}}silica gel chứa ít SiO2 hơn, do đó, mạng lưới mullite hình thành trong mẫu ở 1000 độ không mạnh bằng mạng lưới liên kết với silica sol{23}}, dẫn đến độ bền uốn ở nhiệt độ{24}}cao thấp hơn. Xi măng aluminat canxi chứa một lượng CaO nhất định, dễ phản ứng với SiO2 và Al2O3 trong vật liệu ở nhiệt độ cao để tạo thành các pha-điểm nóng chảy-thấp như 3CaO×Al2O3 và 2CaO×Al2O3×SiO2. Sau đó, các pha này trở thành chất lỏng ở nhiệt độ cao, làm giảm độ bền uốn ở nhiệt độ cao của mẫu.
Ổn định sốc nhiệt
Mẫu liên kết silica sol-có độ bền uốn còn lại cao nhất ở mức 7,8 MPa. Mẫu được liên kết với bột gel alumina-silica có độ bền uốn còn lại thấp nhất, ở mức 5,3 MPa. Mẫu được liên kết với xi măng aluminat canxi thể hiện cả độ bền uốn dư cao và khả năng duy trì độ bền uốn cao. Khả năng chống sốc nhiệt vượt trội của các mẫu liên kết xi măng aluminat canxi-và mẫu liên kết silica sol-có thể là do sự phân bố kích thước lỗ rỗng tập trung và cấu trúc mạng oxy-silic của chúng, tương ứng. Trong các vật liệu chịu lửa nhiều pha không đồng nhất, sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa các pha gây ra nhiều vết nứt nhỏ hình thành trong vật liệu đúc cacbua silic trong quá trình giãn nở nhiệt không khớp. Những vết nứt vi mô này không chỉ hấp thụ năng lượng biến dạng đàn hồi, làm giảm động lực phát triển vết nứt sơ cấp mà còn phân tán ứng suất tập trung ở đầu vết nứt, tiêu tán năng lượng cần thiết cho sự lan truyền vết nứt và cải thiện khả năng chống sốc nhiệt của vật liệu.
Chống mài mòn
Các thử nghiệm mài mòn được tiến hành trên các mẫu có chất kết dính khác nhau sau khi thiêu kết ở 1000 độ. Kết quả cho thấy rằng các mẫu liên kết xi măng aluminat-và alumino{3}}bột gel silica-có độ mài mòn ít hơn, trong đó mẫu liên kết xi măng aluminat-có độ mài mòn thấp nhất, ở mức 3,75 cm³, và mẫu liên kết silic- dạng keo có độ mòn cao nhất, ở mức 7,58 cm³. Đối với các vật liệu chịu lửa không đồng nhất bao gồm cốt liệu và ma trận, sự mài mòn do xói mòn thường loại bỏ ma trận trước tiên, để lại các hạt giống như hòn đảo nhô ra{10}}làm mục tiêu mài mòn chính. Những hạt này sau đó rơi ra, tạo thành các vết nứt và làm hỏng thêm ma trận xung quanh. Các mẫu liên kết xi măng aluminat-có mật độ cao hơn, hình thành liên kết Si-O-Al giữa bột SiO₂ và xi măng hydrat, dẫn đến liên kết ma trận chặt chẽ và khả năng chống mài mòn tốt hơn. Trong các mẫu liên kết bột alumino-silica gel-, nano-Al₂O₃ phản ứng với SiO₂ để tạo thành ma trận mullite, tăng cường khả năng chống mài mòn. Các mẫu liên kết keo silica{21}}có nhiều vết nứt nhỏ trong nền, khiến chúng có khả năng chống mài mòn kém hơn.
Phân tích vi cấu trúc
Sau khi xử lý nhiệt ở 1000 độ, các mẫu xi măng aluminat canxi-có liên kết chặt chẽ nhất giữa nền và cốt liệu, góp phần mang lại mật độ, cường độ và khả năng chống mài mòn cao hơn. Hơn nữa, nền chứa nhiều vết nứt nhỏ, dẫn đến sự phân bố kích thước lỗ rỗng tập trung và khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời. Các mẫu được liên kết với silica sol-có nhiều khoảng trống và vết nứt nhỏ, góp phần tạo nên độ xốp biểu kiến cao, phân bố kích thước lỗ rỗng rộng và khả năng chống mài mòn kém. Hơn nữa, sự hiện diện của cấu trúc mạng lưới silica{6}}oxy lớn đã góp phần tạo nên độ bền uốn ở nhiệt độ-cao và khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời. Các mẫu được liên kết với bột alumina-silica gel{10}}thể hiện sự liên kết tốt hơn giữa cốt liệu và nền, với mạng lưới mullite dạng cột lớn trong nền, dẫn đến các đặc tính cơ học và khả năng chống mài mòn vượt trội.
