Analyse av ildfaste skader i tørrkjølende koksovnssjaktstolper indikerer at forbedring av bøyestyrken og termisk sjokkmotstand til ildfaste materialer er en effektiv måte å forlenge levetiden på. Å introdusere stålfibre i støpegods av mullitt silisiumkarbid gir forsterkning og seighet, og forlenger dermed levetiden. Typen bindemiddel er avgjørende for konstruksjonen og ytelsen til ildfaste støpematerialer. Denne artikkelen undersøker effekten av tre bindemidler -ren kalsiumaluminatsement (Secar 71), silikasol og alumino-silikagelpulver- på strukturen og egenskapene til støpematerialer for å bestemme det passende bindemidlet.
Generelle fysiske egenskaper
Etter tørking ved 110 grader og varmebehandling ved 1000 grader, hadde den kalsiumaluminatsement-bundne prøven den laveste tilsynelatende porøsiteten og den høyeste bulktettheten, noe som indikerer at sementen-festetstøpematerialer av silisiumkarbidhar de beste flyteegenskapene, noe som letter prøvedannelsen. Den kalsiumaluminatsement-bundne prøven opplevde betydelig dehydrering ved 850 grader, noe som resulterte i økt tilsynelatende porøsitet og redusert bulktetthet. Etter varmebehandling ved 1000 grader sintret og krympet prøven, noe som økte tettheten.
Rom--bøyestyrken og trykkstyrken til prøver med forskjellige bindemidler økte med økende varmebehandlingstemperatur. Etter tørking ved 110 grader hadde prøven bundet med kalsiumaluminatsement den høyeste bøyestyrken, ved 7,5 MPa, mens prøven bundet med alumina-silikagelpulver hadde den laveste styrken. Dette indikerer at den kjemiske reaksjonen mellom sement og vann størkner og stivner, noe som resulterer i den høyeste styrken, noe som er mest gunstig for konstruksjonssikkerheten til ildfaste støpegods. Etter varmebehandling ved 850 grader skilte rom-bøyestyrken til prøvene med de tre bindemidlene seg ikke signifikant. Prøven bundet med kalsiumaluminatsement hadde høyest romtemperatur{10}, med 53,6 MPa. Etter varmebehandling ved 1000 grader, hadde prøven bundet med kalsiumaluminatsement høyest rom-temperatur-bøyestyrke, ved 14,3 MPa, mens prøven bundet med alumina-silikagelpulver hadde høyest rom-temperatur-trykkstyrke, ved 70,2 MPa. Dette indikerer at fasene kalsiummonoaluminat (CA), kalsiumdialuminat (CA2) og kalsiumdodekaluminat (C12A7) produsert ved hydratisering av kalsiumaluminatsement har høy bindingsstyrke. Nano-Al2O3 og SiO2 i aluminium-silikagelpulveret reagerer for å danne en mullittbindingsfase, som kan øke styrken til det støpebare silisiumkarbidet.
Porestørrelsesfordeling
Etter varmebehandling ved 1000 grader var gjennomsnittlig porestørrelse på prøvene bundet med kalsiumaluminatsement (gruppe A) 0,23 μm, med en median diameter på 0,74 μm. Porestørrelsesfordelingen var den mest konsentrerte (0,01 μm til 2 μm). Prøvene bundet med silikasol (gruppe B) hadde den minste gjennomsnittlige porestørrelsen, 0,13 μm, med en median diameter på 0,40 μm, og en bredere porestørrelsesfordeling (0,01 μm til 4 μm). Prøvene bundet med alumino-silikagelpulver (gruppe C) hadde den største gjennomsnittlige porestørrelsen, 0,28 μm, med en mediandiameter på 0,77 μm. Porestørrelsesfordelingen varierte fra 0,01 μm til 6 μm, men porestørrelsesfordelingen var konsentrert innenfor området 0,01 til 1 μm.
Høy-temperatur bøyestyrke
Den silikasol-bundne prøven hadde den høyeste bøyestyrken ved høy-temperatur, ved 13,7 MPa. De sement-bundne prøvene og alumina-silikagelpulver-bundne prøvene hadde lavere bøyestyrker ved høye-temperaturer, på henholdsvis 7,8 MPa og 8,3 MPa. Dette er fordi nano-SiO2 i silikasolen danner et silisium-oksygennettverk i prøven og er svært reaktivt. Ved 1000 grader reagerer den lett med det aktive -Al2O3-mikropulveret for å danne et mullittnettverk, noe som øker prøvens styrke. Aluminiumoksyd-silikagelpulveret inneholder mindre SiO2, så mullittnettverket som dannes i prøven ved 1000 grader er ikke like sterkt som det i den silikasol-bundne prøven, noe som resulterer i lavere bøyestyrke ved høy-temperatur. Kalsiumaluminatsement inneholder en viss mengde CaO, som lett reagerer med SiO2 og Al2O3 i materialet ved høye temperaturer for å danne lav-smeltepunktsfaser som 3CaO×Al2O3 og 2CaO×Al2O3×SiO2. Disse fasene blir deretter flytende ved høye temperaturer, noe som reduserer prøvens bøyestyrke ved høye-temperaturer.
Termisk sjokkstabilitet
Den silikasol-bundne prøven viste den høyeste gjenværende bøyestyrken, ved 7,8 MPa. Prøven bundet med alumina-silikagelpulver viste den laveste gjenværende bøyestyrken, ved 5,3 MPa. Prøven bundet med kalsiumaluminatsement viste både høy gjenværende bøyestyrke og bøyestyrkeretensjon. Den overlegne termiske sjokkmotstanden til de kalsiumaluminatsement-bundne og silikasol-bundne prøvene kan skyldes henholdsvis deres konsentrerte porestørrelsesfordeling og silisium-oksygennettverksstruktur. Innenfor heterogene flerfasede ildfaste materialer forårsaker forskjellene i termiske ekspansjonskoeffisienter mellom fasene at det dannes mange mikrosprekker i silisiumkarbid-støpematerialer under termisk ekspansjonsfeil. Disse mikrosprekkene absorberer ikke bare elastisk tøyningsenergi, reduserer drivkraften for primær sprekkvekst, men sprer også spenningen konsentrert ved sprekkspissen, sprer energien som kreves for sprekkforplantning og forbedrer den termiske støtmotstanden til materialet.
Slitasjemotstand
Slitetester ble utført på prøver med forskjellige bindemidler etter sintring ved 1000 grader. Resultatene viste at prøvene med aluminatsement-bundet og alumino-silikagelpulver-bundet viste mindre slitasje, mens prøven med aluminatsement-bundet hadde den laveste slitasjen, ved 3,75 cm³, og den kolloidale silisiumdioksydprøven- hadde høyest slitasje på 7,5 cm³. For heterogene ildfaste materialer som består av tilslag og matrise, fjerner erosjonsslitasje vanligvis først matrisen, og etterlater utstående, isolerte øylignende partikler som det primære slitasjemålet. Disse partiklene faller av, danner sprekker og skader den omkringliggende matrisen ytterligere. De aluminatsement-bundne prøvene viste en høyere tetthet, og dannet Si-O-Al-bindinger mellom SiO₂-pulveret og sementhydratet, noe som resulterte i en tett matrisebinding og bedre slitestyrke. I de alumino-silikagelpulver-bundne prøvene reagerte nano-Al₂O₃ med SiO₂ for å danne en mullittmatrise, noe som forbedret slitestyrken. De kolloidale silika-prøvene viste mange mikrosprekker i matrisen, noe som gjorde dem mindre motstandsdyktige mot erosjonsslitasje.
Mikrostrukturell analyse
Etter varmebehandling ved 1000 grader, viste de kalsiumaluminatsement-bundne prøvene den tetteste bindingen mellom matrise og tilslag, noe som bidro til deres høyere tetthet, styrke og slitestyrke. Videre inneholdt matrisen mange mikrosprekker, noe som resulterte i en konsentrert porestørrelsesfordeling og utmerket motstand mot termisk sjokk. De silikasol-bundne prøvene viste mange hulrom og mikrosprekker, noe som bidro til deres høye tilsynelatende porøsitet, brede porestørrelsesfordeling og dårlige slitestyrke. Videre bidro tilstedeværelsen av en stor silika-oksygennettverksstruktur til deres høye bøyestyrke ved høye-temperaturer og utmerket motstand mot termisk sjokk. De alumina-silikagelpulver-bundne prøvene viste en bedre binding mellom tilslag og matrise, med et stort søyleformet mullittnettverk i matrisen, noe som resulterte i overlegne mekaniske egenskaper og slitestyrke.
