耐火材料抗热震稳定性的思考

耐火材料抗热震稳定性的思考

发表时间：2019-03-21T15:53:01.600Z 来源：《防护工程》2018年第34期作者：樊家剑

[导读] 也需要使用单位自身对耐火材料的本质和现实的工艺条件有足够的认识，只有两者相结合，耐火材料的保护才能够做到有的放矢。云锡股份冶炼分公司云南个旧 661000

摘要:抗热震稳定性是厂家在制作耐火材料过程中一个重要的控制指标，该指标不但跟制作材料过程中使用的原料和制作工艺有关，也是使用单位在作业过程中有效保护耐火材料的重要参考参数之一，本文主要通过材料力学和热力学等相关知识理论上研究耐火材料抗热震稳定对生产实际的影响。

关键词:耐火材料; 热震; 炉渣; 应力

前言

耐火材料在冶金炉窑中的作用是抵抗冶金过程中高温腐蚀（软化）、化学腐蚀（元素化学反应）和熔池冲刷（损耗），确保熔池与钢结构体不发生直接接触。耐火材料在使用过程中受外界各种因素的影响，发生冷热交替造成热的变化即称为热震，冶金过程中热震对耐火材料的使用效率影响很大，因此在耐火材料的制作和使用过程中将抗热震稳定性作为一个重要的参考指标。

1 研究材料抗热震稳定性的意义

耐火材料因为要直接与高温熔体接触，同时要面对更多的外部条件的影响带来的温度波动，有时候更为复杂，其抗热震稳定性是一个重要的控制指标，因此如何在恶劣的温度变化条件下能够让耐火材料有更长的使用时间，对使用单位成本控制有着重要的意义。

2 材料抗热震稳定性的机理

2.1 热震稳定性的概念

热震稳定性，指材料在承受急剧温度变化时，评价其抗破损的能力，下图为某厂家耐火材料参数表。热震稳定性测试方法为：将耐火材料放入一个高温容器内，将温度提升至1100℃，然后取出放入冷水内，水冷到常温，循环几次，观测耐火材料第几次出现撕裂，如果过1次就撕裂则认为其热震稳定为1次，以此类推。从参数对比情况看，热震稳定性与作业温度、材料密度、材料强度成反比，也就是说耐火材料的热震稳定性越高，其实用范围越小。但在实际的作业过程中，因为作业条件要求较高，尤其是对温度的要求，所以不可能无限制的提高材料的热震稳定性，必须采取折中权衡的方法，一般应该是在成本和利润的合理获取上选择耐火材料热震稳定性。热震稳定性要达到要求，不但材料制作过程中必须对其成分和制作方式进行调整，而且还需要考虑冶金炉窑控制对热震的影响。

表1 某厂家耐火材料参数表

2.2 不同阶段下热震对耐火材料影响的差异

耐火材料在中低温下是脆性材料，缺乏延性，在冶金炉窑使用中，因各种因素的影响常常受到急剧的温度变化，导致损伤。耐火材料抗热震性机理，是其力学性能与热学性能在温度变化条件下的综合表现，是耐火材料使用过程中衡量其受外力影响程度的指标。热震对耐火材料的影响在初期、中期和后期各有不同，初期耐火材料因内外膨胀度差异较大，热震造成的结果是耐火材料中部容易断裂；中期耐火材料相对稳定，但厚度仅为初始厚度的一半或更少而增加传热速度，热震容易造成截面撕裂；后期耐火材料因为尺寸较薄，热震容易造成整体剖落。

2.3 耐火材料抗热震条件下应具备的能力

材料力学认为当材料工作时，必将受到外力的作用，为了保证材料的正常工作，就要求其必须具备足够的能力，承担其应当承受的荷载，这个能力包括足够的强度（即抵抗破坏的能力）、足够的刚度（即抵抗变形的能力）、足够的稳定性（即保持原有平衡的能力）。但是在不同的作业条件下材料必须各有侧重，不可能所有的条件都是最优化。而耐火材料因其工作条件的特殊性，因此对其刚度和强度的要求要更为明显，也就是抗破坏和变形能力要求更为严格。

2.3.1 热震与材料正应力

在冶金过程中，金属冶炼需要通过渣池内部元素的结构调整来实现金属的提炼，因此熔池自身的重量自然对周围的耐火材料接触面产生挤压的一个正压力，当耐火材料受到外力（正压力）作用时，内部分子相对位置发生改变，因而使耐火材料发生形变，在发生形变的过程中，材料内部自身内力的作用，将试图恢复到原来的形状，因此产生了应力。应力大小与截面积大小有关，因为材料一旦运用与生产，其尺寸无法改变，当应力不能抗拒外力作用时，材料因强度不足而被破坏。而实际上材料在常温下的使用过程中，其抗压能力是能够满足作业条件产生的外力，但是在温度的作用下，材料产生的热应力降低了其刚度，从而使材料受损或者产生龟裂。按照应力集中概念，材料

表面截面受损突然改变，则截面的应力将不再呈均匀分布，而是在受损点或龟裂痕附近局部区域处急剧增大。此时一旦温度发生变化（热震），在应力集中的作用产生产生过于集中的应力效应，降低耐火材料的强度，耐火材料从龟裂转变成撕裂，造成局部剖离。

2.3.2 热震与材料切应力

动态熔池冶金过程中，熔渣由内部各种相体结合组成，按照元素量大小及其性质的不同形成大小不同结构的组合体（二元系、三元系等化合物），并因其比重的大小进行分层，在外力的作用下产生运动的过程中形成薄厚不同的流体层，因其性质不同产生流速差异，因此在液体层流中相对移动的各层之间产生内摩擦力，这些内摩擦力流动时会产生液体的变形从而产生切应力。流体力学中，切应力又叫粘性力，运动时由于流体的粘性，一部分流体微团作用于另一部分流体微团切向上的力，这部分力的大小取决于熔池运动中外力的大小，因为各流体层的性质不同，因此在流动过程中作用于耐火材料的力量也不同。冶金过程中往往是高温作业的过程，耐火材料虽然抗软化的温度都在1700℃左右或更高，但正常作业过程中耐火材料是处于一个相对软化形态中，因此温度变化（热震）容易在切应力的作用下，对靠近熔渣的部分材料施加大小不同的外力，在这些力的作用下材料容易发生深度不同形变，破坏局部材料平衡度，造成材料局部撕裂。

2.4 热震与热应力

2.4.1 热震损伤

材料在热震中产生的新裂纹，以及新裂纹与已有裂纹扩展造成的开裂、剥落、断裂等状况，称为热震损伤，热震损伤是热应力作用的结果，材料在温度变化时，变形受到抑制会产生热应力。热应力与材料的弹性应变成正比，而弹性应变等于线膨胀系数和温度变化的乘积。从这方面看，耐火材料使用时间长短主要受耐火材料本身和使用过程两方面的影响较大。（线弹性系数：指温度每变化1℃材料长度变化的百分率，耐火材料的功能及使用性质看，其变化的幅度必然是微量的，例如某厂家耐火材料在1200℃时，其膨胀量仅为1mm）。因为冶金炉窑作业过程中的工作性质决定了温度的不稳定性，因此这是日常作业过程中不可避免的损伤，从长远的运作角度看，温度控制的平稳性，可以增加耐火材料的使用寿命。

2.4.2 热震断裂

耐火材料在使用过程中，因为严格的砌筑要求以及自身的尺寸和重量的原因产生了两个及以上个体材料之间相对的紧密性，在作业的条件下由于外在约束（相对紧密性）以及内部各部分之间的相互约束，耐火材料不能完全自由胀缩会产生的热应力量非常之大。热弹性理论认为材料受到的热应力超过材料的极限强度时，导致瞬时断裂，即 “热震断裂”。由此看出温度频繁波动，以及在波动范围出现最大值和最小值的时候，将直接造成截面应力突破极限值而形成断裂。

2.4.3 热震损伤与热震断裂的区别与关联

耐火材料本身由不同成分的元素组成，如铬铝尖晶石砖、奥镁砖、碳砖等，其化学组成都有很大不同，内部各组分晶体的运动形式也不同。这里引用振动熵，当温度变化时，晶体内部每个原子以一定的节点为中心进行振动，当原子位置改变时，就会引起振动的混乱度增大，因为材料成分不同，其组成的晶体也不同，材料中对于容积大的晶体，其原子振动的幅度越大，振动熵也就越大。耐火材料中由于各个原子因成分多样而排列不是很紧密，因而增加振幅而引起振动熵，另外晶体内存在缺陷时（例如耐火材料在制作的过程中出现配料不均匀，烧制过程中温度偏差大，压制过程中受力不同等）该部位振动熵也就增加。按统计力学，在温度为0K振动熵为零，并随着温度的增高，振动熵值越大，材料的稳定性减弱。以此来看，温度变化幅度（温震）越大，材料的稳定性越差。当温度变化范围较小，容易造成热震损伤，当温度变化范围较大时，容易形成热震断裂。

3 实现材料使用过程抗热震稳定控制措施

(1)耐火材料为避免热震断裂的发生，要求厂家在制作的材料具有较高的强度、热导率或热扩撒率，以及低的线膨胀系数。

(2)耐火材料中不可避免地存在着或大或小数量不等的微裂纹，要求厂家通过工艺改进，以减少这些裂纹存在的数量，特别是在不同的作业区域应该有不同的制作指标。

(3)在耐火材料的外观尺寸指标上要有相对严格的理论计算，以符合使用单位的实际需求。

(4)使用单位应该对耐火材料的各项指标有充分的认识。

4 结论

对于材料的厂家来说，按照使用单位制作适合实际的耐火材料是其本职工作，对使用单位来说，如何更好地提供更好地作业条件以满足炉窑效率又能有效保护耐火材料是主要工作任务。因此不但生产厂家要提供更为完善的服务，也需要使用单位自身对耐火材料的本质和现实的工艺条件有足够的认识，只有两者相结合，耐火材料的保护才能够做到有的放矢。参考文献:

【1】王克林 ,刘俊卿, 刘新东主编.《材料力学》.北京.冶金工业出版社. 【2】徐祖耀 ,李麟主编.《材料热力学》.上海.科学出版社.

【3】任鸿九主编.《有色金属熔池熔炼》.北京.冶金工业出版社.