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刚玉-莫来石浇注料的抗热震性能

刚玉-莫来石浇注料通常由骨料和基质组成。通常认为粒度≥0.088 mm的颗粒为骨料,骨料的占比一般为50~75 %。骨料作为浇注料骨架的主要构成部分,不同的骨料有不同的烧结性,在高温下浇注料的物理性能和力学性能表现出较大的差异;另外,基质填充于骨料之间的空隙中,能够提升浇注料的致密性,并且促进浇注料的烧结;结合剂主要强化骨料与基质间的结合,整体提升浇注料的力学性能

各类窑炉在使用过程中温度始终在不断变化,从而需要窑炉材料能够克服温度变化下所产生的热应力。目前人们主要通过调控浇注料中的孔径分布和生成微裂纹等方法来提高浇注料的抗热震性能。为了进一步分析骨料对刚玉-莫来石浇注料的抗热震性能的影响,分别选用1-3 mm 的高品位莫来石、低品位莫来石以及红柱石骨料各两种制备刚玉-莫来石浇注料,经 1450热处理 3 h 后测试浇注料经不同次数风冷循环(1000-室温)的抗热震性能。

各种浇注料在不同热震次数后的抗折强度如图1 所示。由图1可以看出,随着热震次数的增加,各浇注料的强度均逐渐降低,并且经过1次循环后浇注料的抗折强度下降最为剧烈。这是因为在首次热震过程中所产生的热应力较高,导致浇注料裂纹的生成及快速扩展,使浇注料的抗折强度急剧下降。在第3次和5次循环后各浇注料的抗折强度的减小均逐渐趋于平缓。此时,浇注料中的裂纹呈准静态扩展状态,裂纹的扩展速率较慢,使热震后的浇注料抗折强度下降较为平缓。在第10次循环后各试样的抗折强度再次下降较为剧烈。此时,由于热震次数累积,导致浇注料中的裂纹扩展尺寸较大,使得浇注料的抗折强度再次出现骤降现象。

 

其中,添加焦宝石骨料的浇注料热震后的抗折强度最高;添加高品位莫来石骨料的浇注料抗折强度略低;添加红柱石骨料的浇注料热震后抗折强度较低;添加 Molochite 骨料的浇注料抗折强度最低。由于红柱石骨料热膨胀系数的各向异性会促使浇注料中原有裂纹的扩展,使得该类浇注料对热应力的抵抗能力较差,热震后的抗折强度较低。高品位莫来石骨料的Al2O3含量较高玻璃相较少,使得浇注料的脆性降低,并且莫来石骨料的自身的热稳定性较好,导致该类浇注料热震后的抗折强度较为优异。添加 Molochite 骨料的浇注料热震后的抗折强度最低,这可能由于 Molochite 骨料本身的杂质含量较高,浇注料热处理后本身的致密化程度较高,在热应力作用下内部应力过大,导致其抗折强度最低

各种浇注料在不同热震次数后的SEM 照片如图2所示。从图2可以发现,经过热震循环后浇注料均出现了不同程度的热应力损伤。在经过 1 次热震循环后, 浇注料中的致密结构遭到破坏,骨料未出现破损现象,但基质的结构变得松散(图2a)),另外基质中也有不同长度的裂纹出现(图2c)、(e))。随着热震循环次数达到10次,浇注料的结构进一步遭到破坏,基质变得更加松散,并且骨料中也出现了裂纹,并且在骨料与基质的结合界面处破坏最为严重(图2d)、 f))。对比不同浇注料 1 次热震后的 SEM 照片发现,添加高品位莫来石骨料的浇注料 MS的结构最为完整,骨料与基质之间的结合破坏程度较小,仅有基质变得略微松散(图2a))。添加红柱石骨料的浇注料 P57 中骨料并未遭到破坏,基质中出现了较多微孔,在基质与骨料之间出现了裂纹,骨料与基质的结合界面受到破坏(图2c))。添加低品位莫来石骨料的浇注料 JBS 中骨料并未遭到破坏,但在基质与骨料之间出现了沿骨料边缘扩展的裂纹(图2e))。对比不同浇注料10 次热震后的 SEM 照片发现,添加高品位莫来石骨料的浇注料 MS 中骨料并未被破坏,但基质中出现了裂纹,这些裂纹沿骨料扩展,致使骨料与基质结合弱化(图2b))。在添加红柱石的浇注料 P57 中,骨料内部出现了大量裂纹(图2d))。 添加低品位莫来石骨料的浇注料 JBS 中骨料并未被破坏,但基质中出现了裂纹, 并且裂纹沿着骨料扩展,致使浇注料中骨料与基质分离开来。
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