Η ανάλυση της πυρίμαχης ζημιάς σε στύλους αγωγού φούρνου οπτάνθρακα ξηρής απόσβεσης δείχνει ότι η βελτίωση της αντοχής στην κάμψη και της αντοχής σε θερμικό σοκ των πυρίμαχων υλικών είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για να παραταθεί η διάρκεια ζωής τους. Η εισαγωγή χαλύβδινων ινών σε χυτευθέντα καρβίδιο του πυριτίου mullite παρέχει ενίσχυση και σκληρότητα, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής τους. Ο τύπος του συνδετικού υλικού είναι κρίσιμος για την κατασκευή και την απόδοση των πυρίμαχων χυτών. Αυτό το άρθρο εξετάζει τις επιδράσεις τριών συνδετικών υλικών-καθαρού τσιμέντου αργιλικού ασβεστίου (Secar 71), κολλοειδούς διαλύματος πυριτίου και σκόνης αλουμινίου-πυριτικής γέλης-στη δομή και τις ιδιότητες των χυτεύσιμων υλικών για να προσδιοριστεί το κατάλληλο συνδετικό.
Γενικές Φυσικές Ιδιότητες
Μετά από ξήρανση στους 110 βαθμούς και θερμική επεξεργασία στους 1000 βαθμούς , το δεσμευμένο δείγμα τσιμέντου αλουμινίου ασβεστίου-είχε το χαμηλότερο εμφανές πορώδες και την υψηλότερη φαινομενική πυκνότητα, υποδεικνύοντας ότι το τσιμέντο-συνδέθηκεχυτές καρβίδιο πυριτίουέχει τις καλύτερες ιδιότητες ροής, διευκολύνοντας το σχηματισμό δείγματος. Το δεσμευμένο δείγμα τσιμέντου-αλουμινικού ασβεστίου παρουσίασε σημαντική αφυδάτωση στους 850 βαθμούς, με αποτέλεσμα αυξημένο φαινομενικό πορώδες και μειωμένη πυκνότητα όγκου. Μετά από θερμική επεξεργασία στους 1000 βαθμούς, το δείγμα συντήχθηκε και συρρικνώθηκε, αυξάνοντας την πυκνότητά του.
Η αντοχή σε κάμψη θερμοκρασίας δωματίου-και η αντοχή σε θλίψη των δειγμάτων με διαφορετικά συνδετικά αυξήθηκαν με την αύξηση της θερμοκρασίας της θερμικής επεξεργασίας. Μετά την ξήρανση στους 110 βαθμούς, το δείγμα που συνδέθηκε με τσιμέντο αργιλικού ασβεστίου είχε την υψηλότερη αντοχή σε κάμψη, στα 7,5 MPa, ενώ το δείγμα που συνδέθηκε με σκόνη αλουμίνας-πυριτικής γέλης είχε τη χαμηλότερη αντοχή. Αυτό δείχνει ότι η χημική αντίδραση μεταξύ τσιμέντου και νερού στερεοποιείται και σκληραίνει, με αποτέλεσμα την υψηλότερη αντοχή, η οποία είναι πιο ευνοϊκή για την ασφάλεια κατασκευής των πυρίμαχων χυτών. Μετά από θερμική επεξεργασία στους 850 βαθμούς, η αντοχή σε κάμψη θερμοκρασίας δωματίου των δειγμάτων με τα τρία συνδετικά δεν διέφερε σημαντικά. Το δείγμα που είναι συνδεδεμένο με τσιμέντο αργιλικού ασβεστίου είχε την υψηλότερη αντοχή σε θλίψη σε θερμοκρασία δωματίου, στα 53,6 MPa. Μετά από θερμική επεξεργασία στους 1000 βαθμούς , το δείγμα που συγκολλήθηκε με τσιμέντο αργιλικού ασβεστίου είχε την υψηλότερη αντοχή σε κάμψη θερμοκρασίας δωματίου, στα 14,3 MPa, ενώ το δείγμα που συγκολλήθηκε με σκόνη αλουμίνας-πυριτικής πηκτής είχε την υψηλότερη αντοχή σε θλίψη σε θερμοκρασία δωματίου{{17}, στα 70 MPa. Αυτό υποδηλώνει ότι οι φάσεις μονοαργιλικού ασβεστίου (CA), διαφθοριούχου ασβεστίου (CA2) και δωδεκαλουμινικού ασβεστίου (C12A7) που παράγονται από την ενυδάτωση του τσιμέντου αργιλικού ασβεστίου διαθέτουν υψηλή ισχύ σύνδεσης. Τα νανο-Al2O3 και SiO2 στη σκόνη αλουμινίου-πυριτικής γέλης αντιδρούν για να σχηματίσουν μια φάση σύνδεσης mullite, η οποία μπορεί να ενισχύσει την αντοχή του χυτεύσιμου καρβιδίου του πυριτίου.
Κατανομή μεγέθους πόρων
Μετά από θερμική επεξεργασία στους 1000 βαθμούς, το μέσο μέγεθος πόρων των δειγμάτων που συνδέθηκαν με τσιμέντο αργιλικού ασβεστίου (Ομάδα Α) ήταν 0,23 μm, με διάμεση διάμετρο 0,74 μm. Η κατανομή μεγέθους πόρων ήταν η πιο συγκεντρωμένη (0,01 μm έως 2 μm). Τα δείγματα που συνδέθηκαν με κολλοειδές διοξείδιο του πυριτίου (Ομάδα Β) είχαν το μικρότερο μέσο μέγεθος πόρων, 0,13 μm, με διάμεση διάμετρο 0,40 μm και ευρύτερη κατανομή μεγέθους πόρων (0,01 μm έως 4 μm). Τα δείγματα που συνδέθηκαν με σκόνη αλουμινίου{12}}πυριτικής γέλης (Ομάδα C) είχαν το μεγαλύτερο μέσο μέγεθος πόρων, 0,28 μm, με διάμεση διάμετρο 0,77 μm. Η κατανομή μεγέθους πόρων κυμαινόταν από 0,01 μm έως 6 μm, αλλά η κατανομή μεγέθους πόρων συγκεντρώθηκε στην περιοχή από 0,01 έως 1 μm.
Υψηλή-Καμπτική αντοχή σε θερμοκρασία
Το κολλημένο δείγμα κολλοειδούς κολλοειδούς πυριτίου-είχε την υψηλότερη αντοχή σε κάμψη σε υψηλή- θερμοκρασία, στα 13,7 MPa. Τα δεσμευμένα δείγματα τσιμέντου-και αλουμίνας-σκόνης πυριτικής πηκτής-είχαν χαμηλότερες αντοχές κάμψης σε υψηλή- θερμοκρασία, στα 7,8 MPa και 8,3 MPa, αντίστοιχα. Αυτό οφείλεται στο ότι το νανο-SiO2 στο κολλοειδές διοξείδιο του πυριτίου σχηματίζει ένα δίκτυο πυριτίου-οξυγόνου εντός του δείγματος και είναι εξαιρετικά αντιδραστικό. Στις 1000 μοίρες , αντιδρά εύκολα με την ενεργή μικροσκόνη -Al2O3 για να σχηματίσει ένα δίκτυο mullite, ενισχύοντας την αντοχή του δείγματος. Η σκόνη{20}}πυριτικής γέλης αλουμίνας περιέχει λιγότερο SiO2, επομένως το δίκτυο μουλλίτη που σχηματίζεται στο δείγμα στις 1000 μοίρες δεν είναι τόσο ισχυρό όσο αυτό του δείγματος κολλημένου διαλύματος διοξειδίου του πυριτίου-, με αποτέλεσμα χαμηλότερη αντοχή σε κάμψη σε υψηλή{{24} θερμοκρασία. Το τσιμέντο αργιλικού ασβεστίου περιέχει μια ορισμένη ποσότητα CaO, το οποίο αντιδρά εύκολα με το SiO2 και το Al2O3 του υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες για να σχηματίσει φάσεις χαμηλού-σημείου τήξης-όπως 3CaO×Al2O3 και 2CaO×Al2O3×SiO2. Αυτές οι φάσεις στη συνέχεια γίνονται υγρές σε υψηλές θερμοκρασίες, μειώνοντας την αντοχή σε κάμψη του δείγματος σε υψηλή θερμοκρασία.
Σταθερότητα θερμικού σοκ
Το κολλημένο δείγμα κολλοειδούς πυριτίου-επέδειξε την υψηλότερη υπολειμματική αντοχή σε κάμψη, στα 7,8 MPa. Το δείγμα που είναι συνδεδεμένο με σκόνη αλουμίνας-πήγματος διοξειδίου του πυριτίου παρουσίασε τη χαμηλότερη υπολειμματική αντοχή σε κάμψη, στα 5,3 MPa. Το δείγμα που συνδέθηκε με τσιμέντο αργιλικού ασβεστίου παρουσίασε τόσο υψηλή υπολειμματική αντοχή σε κάμψη όσο και αντοχή σε κάμψη. Η ανώτερη αντίσταση σε θερμικό σοκ των δειγμάτων δεσμευμένων με τσιμέντο-αργιλικού ασβεστίου και κολλοειδούς διαλύματος διοξειδίου του πυριτίου-μπορεί να οφείλεται στη συμπυκνωμένη κατανομή μεγέθους πόρων και στη δομή του δικτύου πυριτίου-οξυγόνου, αντίστοιχα. Εντός ετερογενών πολυφασικών πυρίμαχων υλικών, οι διαφορές στους συντελεστές θερμικής διαστολής μεταξύ των φάσεων προκαλούν το σχηματισμό πολυάριθμων μικρορωγμών στα χυτά υλικά καρβιδίου του πυριτίου κατά τη διάρκεια της αναντιστοιχίας θερμικής διαστολής. Αυτές οι μικρορωγμές όχι μόνο απορροφούν την ελαστική ενέργεια παραμόρφωσης, μειώνοντας την κινητήρια δύναμη για την ανάπτυξη της πρωτογενούς ρωγμής, αλλά επίσης διαχέουν την τάση που συγκεντρώνεται στο άκρο της ρωγμής, διαχέοντας την ενέργεια που απαιτείται για τη διάδοση της ρωγμής και βελτιώνοντας την αντίσταση του υλικού σε θερμικό σοκ.
Αντίσταση στη φθορά
Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές τριβής σε δείγματα με διαφορετικά συνδετικά μετά από πυροσυσσωμάτωση στους 1000 βαθμούς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα δείγματα αλουμινικού τσιμέντου-συγκόλλησης και αλουμινίου{3}}σκόνης πυριτικής πηκτής-συγκολλημένης παρουσίασαν λιγότερη φθορά, με το δείγμα αλουμινικού τσιμέντου-δεμένο να παρουσιάζει τη χαμηλότερη φθορά, στα 3,75 cm³, και το κολλοειδές δείγμα κολλημένου πυριτίου με την υψηλότερη φθορά 7,{7} cm³. Για ετερογενή πυρίμαχα υλικά που αποτελούνται από αδρανή και μήτρα, η φθορά από τη διάβρωση συνήθως αφαιρεί πρώτα τη μήτρα, αφήνοντας ως κύριο στόχο φθοράς προεξέχοντα, απομονωμένα σωματίδια νησίδων-. Αυτά τα σωματίδια στη συνέχεια πέφτουν, σχηματίζοντας ρωγμές και καταστρέφοντας περαιτέρω τη γύρω μήτρα. Τα δείγματα που συνδέθηκαν με αλουμίνιο-έδειξαν υψηλότερη πυκνότητα, σχηματίζοντας δεσμούς Si-O-Al μεταξύ της σκόνης SiO2 και του ένυδρου τσιμέντου, με αποτέλεσμα ένα σφιχτό δέσιμο μήτρας και καλύτερη αντοχή στη φθορά. Στα συνδεδεμένα δείγματα με αλουμίνιο-πυριτική σκόνη-, το νανο-Al2O3 αντέδρασε με SiO2 για να σχηματίσει μια μήτρα mullite, ενισχύοντας την αντοχή στη φθορά. Τα κολλοειδή δείγματα κολλοειδούς πυριτίου-εμφάνισαν πολυάριθμες μικρορωγμές στη μήτρα, καθιστώντας τα λιγότερο ανθεκτικά στη φθορά από τη διάβρωση.
Μικροδομική Ανάλυση
Μετά από θερμική επεξεργασία στους 1000 βαθμούς , τα δεσμευμένα με αλουμίνιο ασβέστιο{{1} δείγματα εμφάνισαν τον πιο σφιχτό δεσμό μεταξύ μήτρας και αδρανών, συμβάλλοντας στην υψηλότερη πυκνότητα, αντοχή και αντοχή στη φθορά τους. Επιπλέον, η μήτρα περιείχε πολυάριθμες μικρορωγμές, με αποτέλεσμα μια συμπυκνωμένη κατανομή μεγέθους πόρων και εξαιρετική αντοχή στο θερμικό σοκ. Τα κολλημένα δείγματα κολλοειδούς διοξειδίου του πυριτίου-εμφάνισαν πολυάριθμα κενά και μικρορωγμές, συμβάλλοντας στο υψηλό εμφανές πορώδες, την κατανομή του μεγάλου μεγέθους πόρων και την κακή αντίσταση στη φθορά. Επιπλέον, η παρουσία μιας μεγάλης δομής δικτύου οξυγόνου διοξειδίου του πυριτίου-συνέβαλε στην υψηλή αντοχή κάμψης σε υψηλές{{7} θερμοκρασίες και στην εξαιρετική αντοχή σε θερμικό σοκ. Τα συγκολλημένα δείγματα αλουμίνας-σκόνης πυριτικής πηκτής-εφάνισαν καλύτερο δεσμό μεταξύ αδρανούς και μήτρας, με ένα μεγάλο δίκτυο στήλης μουλλίτη στη μήτρα, με αποτέλεσμα ανώτερες μηχανικές ιδιότητες και αντοχή στη φθορά.
