高鋁質(zhì)耐火材料常溫耐磨性能研究

薛 威，蔣明學(xué)，馮 爍

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安 710055)

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高鋁質(zhì)耐火材料常溫耐磨性能研究

薛 威，蔣明學(xué)，馮 爍

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安 710055)

選用棕剛玉為磨料，在壓縮空氣加速磨粒的沖蝕磨損試驗機上分別對高鋁質(zhì)澆注料和高鋁耐火磚的原始成型面和磚體內(nèi)切割面進行了沖蝕磨損實驗。探究了高鋁質(zhì)耐火材料的原始成型面和磚體內(nèi)切面在不同沖蝕角度、磨料速度及沖蝕時間下的體積沖蝕磨損率，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察經(jīng)不同沖蝕時間沖蝕后試樣的微觀形貌。實驗結(jié)果表明：在不同的沖蝕角度、磨料速度及沖蝕時間的試驗條件下，高鋁質(zhì)耐火材料內(nèi)切面的耐沖蝕性均優(yōu)于其原始成型面的耐沖蝕性，且在沖蝕過程中，原始成型面存在加速和穩(wěn)態(tài)兩個沖蝕過程。

沖蝕磨損； 高鋁質(zhì)耐火材料； 測試面

1 引 言

耐火材料的沖蝕一般是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對被測體表面進行沖擊，發(fā)生材料損耗的一種現(xiàn)象或過程[1]。有關(guān)影響耐火材料磨損機理及其沖擊參數(shù)的研究[2-4]受到了廣大學(xué)者的關(guān)注。目前已有學(xué)者研究了不同磨損參數(shù)及添加稀土材料對Sialon陶瓷及高鋁質(zhì)制品受沖蝕磨損程度的影響[5-7]。蔣明學(xué)等[8-9]對比研究了不同材料的磨損機理，并采用有限元動力分析軟件ANSYS/LS-DYNA模擬了高鋁耐火澆注料的沖蝕過程。國際標準化組織(ISO)和我國耐火材料常溫耐磨性試驗標準方法所選擇的樣品測試面規(guī)定為成型面，并未對磚體內(nèi)部切開的情況進行說明，而且目前有關(guān)被沖蝕樣品不同試驗面的耐磨性也鮮有報道。因此，本文以兩種高鋁質(zhì)耐火材料為沖蝕對象探討了其沖蝕磨損機理，并著重對在沖蝕過程中試樣成型面與其內(nèi)切面的耐磨性進行了對比研究。

2 實 驗

2.1 靶材與磨料

本實驗所用的高鋁澆注料以不同粒度的特高級鋁、白剛玉粉、純鋁酸鈣水泥、硅微粉澆注成型而成。高鋁磚以高鋁礬土熟料為主要原料，輔以結(jié)合粘土及添加劑經(jīng)高壓成型、高溫?zé)Y(jié)而成。按照國標GB/T18301-2012，將原磚切割成尺寸為114mm×114mm×36mm的試塊，選取同時具有原磚面和基質(zhì)骨料包裹均勻的內(nèi)切面試塊為靶材，經(jīng)磨磚機細磨至平整且無明顯損傷后進行沖蝕。磨料選取1～3mm棕剛玉，靶材性質(zhì)見下表1。

表1 高鋁耐火材料物理力學(xué)性能

2.2 試驗裝置

本次沖蝕試驗在自行研制的沖蝕磨損試驗機上進行，裝置分為以下幾個主要組成部分：壓縮空氣生成系統(tǒng)、圓盤給料系統(tǒng)、氣料混合加速噴管、實驗腔。主要控制參數(shù)有磨料質(zhì)量(沖蝕時間)、磨料流量、氣體壓力、沖蝕角度。詳見圖1。

2.3 沖蝕實驗

在沖蝕實驗開始前，首先根據(jù)不同的研究內(nèi)容對沖蝕試驗機進行調(diào)節(jié)。

對于沖蝕時間，因為磨料流料速度一定，所以通過控制磨料總量來控制時間，選用4kg、8kg、12kg、16kg、20kg、24kg六種磨料量。其他實驗條件為：氣壓0.3MPa、空氣流量10m3/h、磨料速度6m/s、給料速度1kg/min、沖蝕角度45°。

對于沖蝕角度，選取30°、45°、60°三種角度進行實驗。其他條件為：氣壓0.3MPa、空氣流量10m3/h、磨料速度6m/s、給料速度1kg/min、磨料量(沖蝕時間)4kg。

對于磨料速度，采用的是表觀速度，其測定方法參考張偉等“氧化鋁陶瓷、碳化硅制品和金屬陶瓷的沖蝕機理研究”[8]，分別選用4m/s、6m/s、8m/s。其他條件為：給料速度1kg/min、沖蝕角度45°、磨料量(沖蝕時間)4kg。

沖蝕前將試塊水洗，經(jīng)110 ℃×8h烘干，稱重得初始質(zhì)量m0,沖蝕后用高壓空氣除去表面灰塵，多次稱重取平均值m1，然后對實驗箱中的沖蝕磨料棕剛玉進行稱重記為Msc，精確到0.01kg，則體積沖蝕率按照下面公式(1)計算：

從全國四個地區(qū)的角度看，西部和東北在20世紀初完成情況差于東部和中部，隨著時間的推移，地區(qū)間差異逐漸縮小(見下頁表3)。在“十五”的完成率中，東部和中部整體上升，西部和東北整體下降，且東北在2005年降至極低值-27.2%，體現(xiàn)地區(qū)發(fā)展差異大、不平衡程度深。但該差距在“十一五”和“十二五”時期明顯縮小，西部與東北完成率快速攀升，基本上各年皆高于20%，在某些年份的完成率甚至高于東部和中部。在“十二五”末期，四個地區(qū)的完成率已高度相近，以2014年為例，完成率最高的東部24.9%與最低的東北24%差距僅不到1%。

Ev=(m0-m1)/ρMsc

(1)

式中Ev-體積沖蝕率；m0-沖蝕前靶材質(zhì)量；m1-沖蝕后靶材質(zhì)量；ρ-靶材體積密度；Msc-沖蝕所用磨料質(zhì)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 沖蝕角度與高鋁質(zhì)耐火材料沖蝕磨損的關(guān)系

圖2為高鋁磚和高鋁澆注料成型面與內(nèi)切面在沖蝕角為30°、45°、60°的試驗條件下的測試結(jié)果，由圖可知當(dāng)沖蝕角度相同時，同種材質(zhì)耐火材料其內(nèi)切面的體積沖蝕率均小于其外部成型面，且四種試驗面的沖蝕磨損率均隨沖蝕角度的增大而增大。當(dāng)沖蝕角在30°～45°的低角度時，磨料對材料的破壞主要以切削為主。當(dāng)沖蝕角在45°～60°的高角度時，磨料對靶材的法向沖力增加，導(dǎo)致了微裂紋的擴展成為主要影響因素，成為切削和微裂紋擴展共同影響的結(jié)果。因此當(dāng)角度增大時，材料的體積磨損率增大。

圖2 角度變化與體積沖蝕率的關(guān)系(時間4 min，磨料粒子速度6 m/s)Fig.2 The relation between angle change and erosion rate of volume (time 4 min,particle velocity 6m/s)

圖3 磨料速度與體積沖蝕率的關(guān)系(時間4 min，沖蝕角度45°)Fig.3 The relation between speed of abrasive material and erosion rate of volume(time 4 min,erosion angle 45°)

3.2 沖蝕速度與高鋁質(zhì)耐火材料沖蝕磨損的關(guān)系

圖3為高鋁磚和高鋁澆注料成型面與內(nèi)切面在磨料速度為4m/s、6m/s、8m/s的試驗條件下的測試結(jié)果。由圖可知當(dāng)磨料速度相同時，同種材質(zhì)耐火材料其內(nèi)切面的體積沖蝕率均小于其外部成型面，且四種試驗面的沖蝕磨損率均隨沖蝕角度的增大而增大。這是因為隨著磨料速度的增加，其具有的沖蝕能量也增大，磨料沿試塊法向的速度分量同時也增加，微裂紋也更容易產(chǎn)生和擴展，體積沖蝕率自然上升。

3.3 沖蝕時間與高鋁質(zhì)耐火材料沖蝕磨損的關(guān)系

圖4 沖蝕時間與高鋁制品體積沖蝕率的關(guān)系(沖蝕角度45°，磨料粒子速度6 m/s)Fig.4 The relation between abrasive time and erosion rate of volume (erosion angle 45°,particle velocity 6 m/s)

圖4為高鋁磚和高鋁澆注料成型面與內(nèi)切面在沖蝕時間為4min、8min、12min、16min、20min、24min的試驗條件下的測試結(jié)果。由圖可知，對于靶材內(nèi)部切面，高鋁澆注料的體積沖蝕率始終在0.0259mm3/g到0.0301mm3/g內(nèi)，高鋁磚的體積沖蝕率始終在0.0324mm3/g到0.0389mm3/g內(nèi)，基本保持一穩(wěn)定值。對于靶材原始成型面，高鋁澆注料的體積沖蝕率從4min時的0.0776mm3/g逐漸下降到16min的0.0388mm3/g并保持穩(wěn)定，高鋁磚的體積沖蝕率從4min的0.0875mm3/g逐漸下降到12min的0.0584mm3/g并保持穩(wěn)定。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于高鋁耐火制品是通過模具加壓或振動成型工藝生產(chǎn)的，而耐火骨料一般為不規(guī)則多角狀，使得靠近模具的骨料是某一尖角接觸模具，其中更多的空隙是通過基質(zhì)來填充的。而基質(zhì)主要是由細粉、結(jié)合劑、添加劑經(jīng)一系列反應(yīng)后形成的，其致密程度、強度以及抵抗侵蝕的能力都要比骨料差，因此基質(zhì)比骨料更容易產(chǎn)生和擴展裂紋而被沖蝕破壞，從而導(dǎo)致高鋁耐火材料原始成型面在開始階段體積磨損率大。而隨著沖蝕時間的增加，基質(zhì)細粉沖蝕完全，骨料漸漸裸露，繼續(xù)沖蝕需要破壞擁有更高強度的骨料，所以體積沖蝕率漸漸變小并趨于穩(wěn)定。而內(nèi)部切面則由于一直擁有穩(wěn)定的基質(zhì)骨料比例，使得其體積沖蝕率始終保持同一水平，不會隨沖蝕時間的增加而發(fā)生明顯變化。綜合圖4的數(shù)據(jù)分析可以得出這樣的結(jié)論：在耐火制品原始成型面的沖蝕過程中，存在著兩個沖蝕階段，第一階段為基質(zhì)細粉受到主要沖蝕作用的快速沖蝕階段，第二階段為內(nèi)部骨料受到主要沖蝕作用的穩(wěn)態(tài)沖蝕階段。

3.4 高鋁質(zhì)耐火材料表面和內(nèi)部的沖蝕磨損情況

通過圖2、3、4的對比可知就耐沖蝕性上，兩種高鋁質(zhì)耐火材料都是其內(nèi)表面要優(yōu)于外表面的。圖5abc為高鋁磚在沖蝕時間分別為4min，8min，12min沖蝕下原始成型面的SEM觀察結(jié)果，圖6abc為高鋁澆注料在沖蝕時間分別為4min，8min，16min沖蝕下原始成型面的SEM觀察結(jié)果。由圖5a可以看出，對于沖蝕時間為4min的高鋁磚原始成型面，切削磨損掉的主要是包裹骨料的基質(zhì)，骨料顆粒初步裸露但并沒有出現(xiàn)明顯的裂紋和破壞現(xiàn)象；圖5b可以發(fā)現(xiàn)，對于沖蝕時間為8min的高鋁磚原始成型面，表面基質(zhì)沖蝕磨損情況更為嚴重，骨料部分進一步裸露，并已經(jīng)出現(xiàn)少許裂紋；圖5c可以看出，對于沖蝕時間為12min的高鋁磚原始成型面，表面基質(zhì)基本沖蝕完畢，骨料上已經(jīng)出現(xiàn)明顯裂紋，此時抵抗沖蝕磨損主要靠骨料的作用。由圖6a可以看出，對于沖蝕時間為4min的高鋁澆注料原始成型面，基質(zhì)并未沖蝕完全，骨料已經(jīng)部分裸露，但骨料表面較為完好，犁溝深度較潛；由圖6b可以發(fā)現(xiàn)，對于沖蝕時間為8min的高鋁澆注料原始成型面，基質(zhì)部分由于沖蝕磨損作用已經(jīng)剝落，骨料裸露增大，并出現(xiàn)裂紋；由圖6c可以看出，對于沖蝕時間為16min的高鋁澆注料原始成型面，表面基質(zhì)已經(jīng)沖蝕完畢，骨料也由于沖蝕作用產(chǎn)生明顯的切削犁溝，裂紋擴展進一步增大，已經(jīng)出現(xiàn)開始剝落趨勢。

圖5 不同沖蝕時間的高鋁磚原始成型面形貌(a)4 min;(b)8 min;(c)12 minFig.5 SEM images of high-alumina refractory brick outside surface under different erosion time

圖6 不同沖蝕時間的高鋁澆注料原始成型面形貌(a)4 min;(b)8 min;(c)16 minFig.6 SEM images of high-alumina refractory castable outside surface under different erosion time

圖7 等徑顆粒堆積圖Fig.7 Image of accumulation in equal diameter particle

針對這一現(xiàn)象，可以把耐火制品假設(shè)成如下圖7所示的模型來說明問題。在此立方區(qū)域里做等徑球體堆積，假設(shè)表面為耐火制品原始成型面，球體為耐火制品骨料，間隙為填充基質(zhì)，骨料直徑為δ，則正方體邊長為δ，與上表面平行做切割面L，切面距離外表面距離為d(0≤d≤δ)。則圖中切面骨料與切面面積比為:

A=πd(δ-d)/δ2

(2)

當(dāng)A=50%時，d=0.199δ，所以在此模型中，對于外部成型面基質(zhì)大于骨料的比例大約為80%。雖然此模型是理想化的，但對于說明產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是有一定指導(dǎo)意義的。

本實驗通過原始成型面磨損質(zhì)量統(tǒng)計計算靶材被沖蝕后的損失體積，被沖蝕面為橢圓，所以損失體積用橢圓錐體積代替，從而得到了本實驗兩種耐火制品原始成型面進入穩(wěn)態(tài)沖蝕階段的厚度h。

h=3Δm/ρπab

(3)

式中Δm-靶材前后損失質(zhì)量(g)；a-沖蝕面長半軸(cm)；b-沖蝕面短半軸(cm)。

多次測量并取平局值得a為2.5cm，b為1.5cm。通過圖3磨料量與靶材體積磨損率關(guān)系可以分析出，對于高鋁磚，穩(wěn)態(tài)沖蝕發(fā)生在4min到8min時，對于高鋁澆注料，穩(wěn)態(tài)沖蝕發(fā)生在12min到16min時。通過公式計算得到高鋁磚和高鋁澆注料進入穩(wěn)態(tài)沖蝕階段厚度分別為0.89mm和1.58mm。

現(xiàn)有耐火材料常溫耐磨性試驗標準方法[10]對試樣的選取一般默認為材料原始成型面，并且沖蝕所用磨料量較少。這也就有可能使測出來的體積磨損率并不能真實反映材料的耐磨性。

4 結(jié) 論

(1)高鋁質(zhì)耐火材料體積沖蝕率隨沖蝕角、磨料速度的增大而增大，符合脆性材料磨損特征;

(2)對于高鋁耐火材料，在相同條件下，材料的原始成型面的體積磨損率要高于材料的內(nèi)表面，并且對于原始成型面，存在快速和穩(wěn)態(tài)兩個沖蝕階段。

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[9] 張 偉.鋼、氧化鋁陶瓷、碳化硅制品和金屬陶瓷的沖蝕機理研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2014.

[10]GB/T18301-2012,耐火材料常溫耐磨性試驗方法[S].

Erosion of High Alumina Refractory Materialat Ambient Temperature

XUE Wei,JIANG Ming-xue,FENG Shuo

(DepartmentofMaterialandMineralResources,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an710055,China)

Theerosionexperimentwastestedbycompressedairspeedabrasiveerosionabrasiontesterviausingbrownfusedaluminaasabrasive,choosinghighaluminumpouringmaterialandhighaluminumrefractorybrickastargets.Thevolumeoferosionrateofthesectionandexternalsurfacesoftargetswhichwastestedbydifferenterosionangles,abrasivespeedanderosiontimewasstudied;themicrostructureofthesamplessufferedbydifferenterosiontimewasinvestigatedbyscanningelectronmicroscope(SEM).Itisshownfromtheexperimentalresultsthattheerosionresistanceofthesectionisbetterthanthatofexternalsurfaceforthehigh-aluminarefractory,anderosionprocessoftheexternalsurfaceincludingastepped-upstageandasteadystageinaerosionprocess.

impactingerosion;high-aluminarefractory;testsurface

薛 威(1992-)，男，碩士研究生.主要從事耐火制品耐磨性能方面的研究.

蔣明學(xué)，教授.

TQ

A

1001-1625(2016)12-4161-05