Analyse af ildfaste skader i tørslukkesøjler i koksovne indikerer, at forbedring af bøjningsstyrken og termisk stødbestandighed af ildfaste materialer er en effektiv måde at forlænge deres levetid. Introduktion af stålfibre i mullit siliciumcarbid støbegods giver forstærkning og sejhed og forlænger derved deres levetid. Typen af bindemiddel er afgørende for konstruktionen og ydeevnen af ildfaste støbegods. Denne artikel undersøger virkningerne af tre bindemidler-ren calciumaluminatcement (Secar 71), silicasol og alumino-silicagelpulver- på strukturen og egenskaberne af støbematerialer for at bestemme det passende bindemiddel.
Generelle fysiske egenskaber
Efter tørring ved 110 grader og varmebehandling ved 1000 grader havde den calciumaluminatcement-bundne prøve den laveste tilsyneladende porøsitet og den højeste bulkdensitet, hvilket indikerer, at cementen-bundetsiliciumcarbid støbegodshar de bedste flydeegenskaber, hvilket letter prøvedannelsen. Den calciumaluminatcement-bundne prøve oplevede betydelig dehydrering ved 850 grader, hvilket resulterede i øget tilsyneladende porøsitet og nedsat bulkdensitet. Efter varmebehandling ved 1000 grader sintrede prøven og krympede, hvilket øgede dens tæthed.
Rumtemperaturens-bøjningsstyrke og trykstyrke for prøver med forskellige bindemidler steg med stigende varmebehandlingstemperatur. Efter tørring ved 110 grader havde prøven bundet med calciumaluminatcement den højeste bøjningsstyrke ved 7,5 MPa, mens prøven bundet med alumina-silicagelpulver havde den laveste styrke. Dette indikerer, at den kemiske reaktion mellem cement og vand størkner og hærder, hvilket resulterer i den højeste styrke, hvilket er mest befordrende for konstruktionssikkerheden af ildfaste støbegods. Efter varmebehandling ved 850 grader afveg rumtemperatur-bøjningsstyrken af prøverne med de tre bindemidler ikke signifikant. Prøven bundet med calciumaluminatcement havde den højeste rumtemperatur{10}kompressionsstyrke ved 53,6 MPa. Efter varmebehandling ved 1000 grader havde prøven bundet med calciumaluminatcement den højeste rum-bøjningsstyrke ved 14,3 MPa, mens prøven bundet med aluminiumoxid-silicagelpulver havde den højeste rumtemperatur-trykstyrke ved 70,2 MPa. Dette indikerer, at faserne af calciummonoaluminat (CA), calciumdialuminat (CA2) og calciumdodecaluminat (C12A7) fremstillet ved hydratisering af calciumaluminatcement har høj bindingsstyrke. Nano-Al2O3 og SiO2 i aluminium-silicagelpulveret reagerer og danner en mullitbindingsfase, som kan øge styrken af det støbebare siliciumcarbid.
Porestørrelsesfordeling
Efter varmebehandling ved 1000 grader var den gennemsnitlige porestørrelse af prøverne bundet med calciumaluminatcement (Gruppe A) 0,23 μm med en mediandiameter på 0,74 μm. Porestørrelsesfordelingen var den mest koncentrerede (0,01 μm til 2 μm). Prøverne bundet med silicasol (Gruppe B) havde den mindste gennemsnitlige porestørrelse, 0,13 μm, med en mediandiameter på 0,40 μm og en bredere porestørrelsesfordeling (0,01 μm til 4 μm). Prøverne bundet med alumino-silicagelpulver (Gruppe C) havde den største gennemsnitlige porestørrelse, 0,28 μm, med en mediandiameter på 0,77 μm. Porestørrelsesfordelingen varierede fra 0,01 μm til 6 μm, men porestørrelsesfordelingen var koncentreret inden for området 0,01 til 1 μm.
Høj-temperatur bøjestyrke
Den silicasol-bundne prøve havde den højeste bøjestyrke ved høj-temperatur ved 13,7 MPa. De cement-bundne og aluminiumoxid-silicagelpulver-bundne prøver havde lavere bøjningsstyrker ved høje-temperaturer ved henholdsvis 7,8 MPa og 8,3 MPa. Dette skyldes, at nano-SiO2 i silicasolen danner et silicium-iltnetværk i prøven og er meget reaktivt. Ved 1000 grader reagerer den let med det aktive -Al2O3-mikropulver for at danne et mullit-netværk, hvilket forbedrer prøvens styrke. Aluminiumoxid-silicagelpulveret indeholder mindre SiO2, så det mullitnetværk, der dannes i prøven ved 1000 grader, er ikke så stærkt som det i den silicasol-bundne prøve, hvilket resulterer i lavere bøjningsstyrke ved-høj temperatur. Calciumaluminatcement indeholder en vis mængde CaO, som let reagerer med SiO2 og Al2O3 i materialet ved høje temperaturer for at danne lav-smeltepunktsfaser, såsom 3CaO×Al2O3 og 2CaO×Al2O3×SiO2. Disse faser bliver derefter flydende ved høje temperaturer, hvilket reducerer prøvens bøjningsstyrke ved høje-temperaturer.
Termisk stødstabilitet
Den silicasol-bundne prøve udviste den højeste resterende bøjningsstyrke ved 7,8 MPa. Prøven bundet med aluminiumoxid-silicagelpulver udviste den laveste resterende bøjningsstyrke ved 5,3 MPa. Prøven bundet med calciumaluminatcement udviste både høj tilbageværende bøjningsstyrke og bøjningsstyrketilbageholdelse. Den overlegne modstandsdygtighed over for termisk chok af de calciumaluminatcement-bundne og silicasol-bundne prøver kan skyldes henholdsvis deres koncentrerede porestørrelsesfordeling og silicium-iltnetværksstruktur. Inden for heterogene flerfasede ildfaste materialer forårsager forskellene i termiske ekspansionskoefficienter mellem faserne, at der dannes adskillige mikrorevner i siliciumcarbidstøbegods under termisk ekspansionsmismatch. Disse mikrorevner absorberer ikke kun elastisk belastningsenergi, hvilket reducerer drivkraften for primær revnevækst, men spreder også spændingen koncentreret ved revnespidsen, spreder den energi, der kræves til sprækkeudbredelse og forbedrer materialets termiske stødmodstand.
Slidstyrke
Slidtest blev udført på prøver med forskellige bindemidler efter sintring ved 1000 grader. Resultaterne viste, at de aluminatcement-bundne og alumino-silicagelpulver-bundne prøver udviste mindre slid, hvor den aluminatcement-bundne prøve udviste det laveste slid, ved 3,75 cm³, og den kolloide silica-prøveslidning ved 7,5 cm³, som udviste det højeste slid. For heterogene ildfaste materialer, der består af tilslag og matrix, fjerner erosionsslid typisk først matrixen og efterlader udragende, isolerede ø-lignende partikler som det primære slidmål. Disse partikler falder derefter af, danner revner og beskadiger den omgivende matrix yderligere. De aluminatcement-bundne prøver udviste en højere densitet og dannede Si-O-Al-bindinger mellem SiO₂-pulveret og cementhydratet, hvilket resulterede i en tæt matrixbinding og bedre slidstyrke. I de alumino-silicagelpulver-bundne prøver reagerede nano-Al₂O₃ med SiO₂ for at danne en mullitmatrix, hvilket øgede slidstyrken. De kolloide silica-bundne prøver udviste adskillige mikrorevner i matrixen, hvilket gjorde dem mindre modstandsdygtige over for erosionsslid.
Mikrostrukturanalyse
Efter varmebehandling ved 1000 grader udviste de calciumaluminatcement-bundne prøver den tætteste binding mellem matrix og tilslag, hvilket bidrog til deres højere densitet, styrke og slidstyrke. Ydermere indeholdt matrixen adskillige mikrorevner, hvilket resulterede i en koncentreret porestørrelsesfordeling og fremragende modstandsdygtighed over for termisk stød. De silicasol-bundne prøver udviste adskillige hulrum og mikrorevner, hvilket bidrog til deres høje tilsyneladende porøsitet, brede porestørrelsesfordeling og dårlige slidstyrke. Ydermere bidrog tilstedeværelsen af en stor silica-iltnetværksstruktur til deres høje-temperaturbøjningsstyrke og fremragende termiske stødmodstand. De aluminiumoxid-silicagelpulver-bundne prøver udviste en bedre binding mellem tilslag og matrix med et stort søjleformet mullitnetværk i matrixen, hvilket resulterede i overlegne mekaniske egenskaber og slidstyrke.
