黃育飛， 王戰(zhàn)民， 曹喜營， 韋紅波

(1.河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 宜州 546300；2.中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司，先進(jìn)耐火材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 洛陽 471039；3.柳州共和耐火材料有限公司， 廣西 柳州 545002)

耐火澆注料在使用前的烘烤為其生產(chǎn)過程中重要的一環(huán)，澆注料烘烤制度制定合理與否決定其坯體烘烤的好壞，進(jìn)而直接影響其使用性能、廠家的生產(chǎn)過程及經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的澆注料烘烤制度的制定通常簡(jiǎn)單強(qiáng)調(diào)控制兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：100～150 ℃與250～350 ℃[1]，即自由水的排除與結(jié)晶水的排除，但據(jù)此確立的烘烤制度在烘烤過程中時(shí)常發(fā)生澆注料坯體的剝落甚至爆裂，如圖1所示。因此對(duì)澆注料烘烤制度的制定還需根據(jù)其損壞的原因，合理分析烘烤過程中澆注料物性變化，嚴(yán)格制定其烘烤制度。本文結(jié)合試驗(yàn)組對(duì)澆注料爆裂機(jī)理的研究，對(duì)某耐火公司生產(chǎn)的加熱爐燒嘴烘烤制度進(jìn)行調(diào)整與試驗(yàn)研究，以期制定更為合理的烘烤曲線。

圖1 澆注料預(yù)制件爆裂后圖示

1 爆裂原因分析

澆注料爆裂主要為兩方面原因所致，一是烘烤時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的蒸氣壓力，二是因溫度梯度所引起的內(nèi)部熱應(yīng)力。

1.1 蒸氣壓力致爆裂

蒸氣壓力致爆裂的機(jī)理主要是耐火制品中自由水、結(jié)合水等在烘烤過程中蒸發(fā)，在坯體內(nèi)部產(chǎn)生帶壓氣體，如制品透氣性差，或加熱速率過快，產(chǎn)生的蒸氣無法及時(shí)排除而聚集形成的壓力超過制品的極限強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致耐火制品機(jī)械性破壞，甚至粉碎性炸裂。

耐火材料烘烤時(shí)其內(nèi)部蒸氣壓力的形成不能簡(jiǎn)單用水和蒸汽的溫度- 壓力關(guān)系來說明(如圖2)，綜合文獻(xiàn)記錄可知原因如下[2-5]：

(1)耐火澆注料內(nèi)部蒸氣壓力升高機(jī)制：烘烤過程中的耐火澆注料內(nèi)部存在飽和水蒸汽阻隔墻效應(yīng)，受飽和層的阻隔，水蒸氣不能快速向內(nèi)遷移，只得進(jìn)入加熱層，被進(jìn)一步加熱升溫，體積急劇增加至上千倍，從而在澆注料內(nèi)部形成很高的蒸氣壓力；

(2)蒸氣壓力爆裂機(jī)理的影響因素：主要有形成的水蒸氣壓力大小、水(氣)排除的方式、坯體強(qiáng)度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及透氣度。

圖2 水和蒸汽的溫度- 壓力關(guān)系圖

1.2 熱應(yīng)力致爆裂

澆注料烘烤過程中內(nèi)部熱應(yīng)力的作用機(jī)理可理解為制品在烘烤時(shí)內(nèi)部顆粒周圍產(chǎn)生兩向或三向熱應(yīng)力，由于澆注料本身為一復(fù)雜非均質(zhì)系統(tǒng)，熱應(yīng)力隨著溫度梯度的升高而升高，進(jìn)而在顆?；蚱渲車∪跆幮纬晌⑿〉芰枯^高的裂縫，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)，或與孔蒸氣壓力等其它因素結(jié)合在一起，形成比制品自身抗拉強(qiáng)度更高的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致破壞的發(fā)生[6-8]，詳見圖3。熱應(yīng)力致爆裂理論的試驗(yàn)研究目前還存在較大困難，主要通過有限元數(shù)值仿真技術(shù)研究分析定型耐火制品高溫下的溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力分布[9-12]。Volkov-Husovic[13]等人通過仿真分析研究了耐火材料抗熱沖擊性時(shí)的熱應(yīng)力作用方式，建立了熱應(yīng)力場(chǎng)，找到了通過線性應(yīng)力分析評(píng)價(jià)材料抗熱震性的方法。K.N Sing[14]使用測(cè)量耐火材料的溫度梯度進(jìn)行有限元分析計(jì)算出熱應(yīng)力，提出通過降低升溫速率可有效防止材料剝落與斷裂。A.G.Lanim[15]對(duì)陶瓷耐火材料熱殘余應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，材料的裂紋是從結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域開始的，在熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力的綜合作用下可實(shí)現(xiàn)完全開裂。

圖3 熱應(yīng)力致裂紋示意圖

2 試驗(yàn)研究

研究人員[16-20]在對(duì)致密耐火澆注料快速烘烤的爆裂研究中得到尺寸為350 mm×350 mm×250 mm試樣單面受熱時(shí)距離受熱面100 mm處，在286 ℃時(shí)產(chǎn)生最大蒸氣壓5.88 MPa。而對(duì)100 mm×100 mm×100 mm試樣內(nèi)部應(yīng)力- 應(yīng)變的測(cè)試研究表明當(dāng)表面溫度達(dá)到100 ℃時(shí)內(nèi)部應(yīng)力也已大于5 MPa，此時(shí)已產(chǎn)生較大內(nèi)部應(yīng)變量，隨著溫度的升高應(yīng)變量累積可形成澆注料內(nèi)部微小裂紋。研究結(jié)果表明澆注料表面溫度在100～160 ℃、200～250 ℃及350～400 ℃三個(gè)溫度區(qū)間為澆注料烘烤爆裂危險(xiǎn)區(qū)間。

圖4為100 mm×100 mm×100 mm剛玉質(zhì)澆注料試樣內(nèi)部蒸氣壓力- 溫度測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出蒸氣壓力曲線都呈單陡峰形。當(dāng)溫度低于300 ℃時(shí)，澆注料內(nèi)部蒸氣壓力增長(zhǎng)緩慢，內(nèi)部壓力較小，對(duì)應(yīng)內(nèi)部溫度平穩(wěn)增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速率逐漸變大。當(dāng)溫度高于300 ℃后，隨著溫度的升高，澆注料內(nèi)部蒸氣壓力迅速增長(zhǎng)至最大值，此時(shí)對(duì)應(yīng)壓力測(cè)試點(diǎn)的內(nèi)部溫度則增長(zhǎng)速度放緩，甚至趨于平穩(wěn)或有所下降，出現(xiàn)明顯的吸熱現(xiàn)象，當(dāng)蒸氣壓力接近最大值時(shí)內(nèi)部溫度又迅速增大。當(dāng)蒸氣壓力到達(dá)最大值后出現(xiàn)突然釋放現(xiàn)象，壓力在短時(shí)間內(nèi)(3～5 min)降至1 MPa以下，而此時(shí)澆注料內(nèi)部溫度迅速攀升，澆注料內(nèi)外溫差迅速減小。當(dāng)蒸氣壓力值降至<0.5 MPa后，壓力曲線逐漸趨于平穩(wěn)，緩慢下降。

圖4 剛玉質(zhì)澆注料內(nèi)部蒸氣壓力- 溫度

3 加熱爐燒嘴烘烤制度研究

3.1 加熱爐燒嘴概況

基于以上分析，應(yīng)用澆注料爆裂理論研究成果對(duì)廣西柳州某耐火公司生產(chǎn)的剛玉莫來石質(zhì)加熱爐燒嘴的養(yǎng)護(hù)烘烤進(jìn)行了試驗(yàn)研究，調(diào)整了廠家制訂的烘烤制度。燒嘴外觀如圖5所示。

圖5 加熱爐燒嘴

制品為低水泥結(jié)合剛玉電容莫來石質(zhì)澆注料，其中氧化鋁含量大于80%，水泥加入量6%，硅灰加入量3%，α-Al2O3加入量3%，粉體總量占37%，加水量4.8%。其性能指標(biāo)見表1。制品重約1 t，形狀為凹實(shí)心圓餅狀，直徑1 m，高300 mm，鐵模具澆注料成型，四周和底部為焊接鐵板，底部鐵板凹中心燒嘴處為木模具支撐，脫模時(shí)無法脫去，燒嘴眼則用實(shí)心塑料模具填封，脫模時(shí)也無法脫去。制品在烘烤時(shí)底部與四周均無法排氣，烘烤初期燒嘴孔也無排氣功能，即整個(gè)樣塊幾乎只靠上表面排水排氣。

表1 加熱爐燒嘴基本性能

3.2 加熱爐燒嘴烘烤爆裂分析

在進(jìn)行烘烤制度調(diào)整前廠方已經(jīng)因烘烤爆裂而損壞了兩副制品。爆裂損壞的兩副制品都添加了抗爆裂助劑，都是在爐溫烘烤到400 ℃左右發(fā)生的爆裂損壞。第一副制品為沿直徑方向形成一裂紋而導(dǎo)致?lián)p壞；第二副制品烘烤至約400 ℃時(shí)發(fā)生烈性爆炸，爆裂部位為靠近底部鐵板，導(dǎo)致底部焊接鐵板炸開變形，現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)制品密實(shí)好，爆裂為層狀炸裂。其烘烤制度見圖6。

圖6 加熱爐燒嘴原烘烤曲線

制品烘烤制度的確定一般基于其化學(xué)成分，外形結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，中低溫性能及加水量等[21]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察與制品理化性能，對(duì)發(fā)生爆裂損壞的兩副制品的爆裂原因分析如下：

(1)因鐵套模具的約束及木模具與塑料模具養(yǎng)護(hù)脫模時(shí)無法脫去，因此制品在烘烤時(shí)底部與四周均無法排氣，烘烤初期燒嘴孔也幾乎無排氣功能，即整個(gè)樣塊幾乎只靠上表面排水排氣，制品在烘烤時(shí)無法及時(shí)排除水分，特別是制品底部水分基本無法排出。此為制品爆裂的重要原因。

(2)從制品化學(xué)組成可知微細(xì)粉體含量較高，加水量偏高，制品較為密實(shí)，制品內(nèi)部微細(xì)孔洞占比較大，使制品在烘烤時(shí)水分排出較困難。同時(shí)因水泥含量偏高，其與硅灰、α-Al2O3等水化產(chǎn)生的結(jié)晶水含量增加，使制品烘烤至200 ℃后大量結(jié)晶水汽化而無法得到及時(shí)排出，增加了澆注料爆裂的可能性。

(3)從澆注料烘烤制度分析可知制品在110～350 ℃間烘烤升溫速度較快，保溫區(qū)間不夠合理，使制品內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差，綜合前兩個(gè)原因，從而導(dǎo)致了制品的爆裂損壞。

3.3 烘烤制度的調(diào)整

烘烤為耐火澆注料投入使用前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，制品的爆裂損壞給廠方造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，為此需重新制定對(duì)新成型的澆注料坯樣的烘烤方案。

耐火澆注料110 ℃烘烤后的失重率通常達(dá)到50%以上，200～300 ℃烘烤后累計(jì)失重率達(dá)70%～90%。水泥- 微粉結(jié)合澆注料的特點(diǎn)為形成的中低溫結(jié)晶體較多，中低溫強(qiáng)度較高，制品致密性好，但同時(shí)存在中低溫烘烤時(shí)澆注料持續(xù)大量釋放結(jié)晶水的問題。因此低溫烘烤階段為烘烤過程的關(guān)鍵，需使?jié)沧⒘纤殖浞峙懦?，同時(shí)降低制品的內(nèi)部溫度梯度。

澆注料烘烤時(shí)中低溫的充分保溫是必要的，首先可以保證結(jié)合劑充分水化，提高制品的基本性能。其次可以減少澆注料內(nèi)部的溫度梯度，減小澆注料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)熱應(yīng)力，避免短時(shí)間坯體體積變化過大而引起坯體產(chǎn)生過多裂縫甚至開裂。再者可為烘烤時(shí)澆注料內(nèi)部水分的擴(kuò)散排除提供充分的動(dòng)力，保證水分充分排出。澆注料烘烤時(shí)的升溫速度也需要有效控制，特別是200～300 ℃溫度區(qū)間，澆注料內(nèi)部溫度梯度較大，已大量形成微小縫隙，同時(shí)內(nèi)部水分持續(xù)大量蒸發(fā)，無法及時(shí)排出，在內(nèi)部孔隙處聚集。因此澆注料的中低溫烘烤可適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，在200～300 ℃溫度區(qū)間減少升溫速率并保證保溫時(shí)間。綜合以上研究分析，筆者對(duì)廠方生產(chǎn)的第三副制品確定了新的燒烤方案，如圖7所示。方案說明如下：

圖7 加熱爐燒嘴新的烘烤曲線

(1) 60 ℃保溫4 h是為了使坯體中水泥硅灰及α-Al2O3充分水化，同時(shí)促使坯體中自由水處于高能狀態(tài)，保證110 ℃烘烤后自由水充分蒸發(fā)排出。

(2) 150 ℃充分保溫一是為110～150 ℃烘烤后坯體內(nèi)部大量自由水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣提供擴(kuò)散排出動(dòng)力，保證坯體中自由水的充分排出，同時(shí)可為坯體內(nèi)部傳熱提供充分時(shí)間，均化坯體內(nèi)部溫度差，減少內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

(3) 200 ℃后低溫結(jié)合水開始分解蒸發(fā)，250 ℃左右大量水泥結(jié)合水開始排出，此時(shí)坯體內(nèi)部已存在大量孔隙及水蒸氣的大量聚集，因此200～260 ℃間降低升溫速率，同時(shí)在200 ℃及260 ℃充分保溫，避免因結(jié)晶水的分解而引起坯體的松解。

(4) 350 ℃和400 ℃的適當(dāng)保溫一是為了使結(jié)合水特別是高溫結(jié)合水的進(jìn)一步排除，二是保證制品的中溫強(qiáng)度及為獲得較好的高溫性能做準(zhǔn)備。

烘烤注意事項(xiàng)如下：

(1) 確保澆注料成型后養(yǎng)護(hù)48 h以上，檢查驗(yàn)收合格，并做好烘烤前準(zhǔn)備工作。

(2) 烘烤時(shí)盡可能采用電烘烤，木材或煤氣烘烤也可，但嚴(yán)禁在烘烤過程中火焰直接接觸澆注料。

(3) 烘烤過程中升溫應(yīng)平衡，熱源或溫度調(diào)整時(shí)避免發(fā)生溫度突變，同時(shí)避免發(fā)生耐火澆注料的局部過熱。

(4) 保證低溫烘烤時(shí)間，整體烘烤時(shí)間應(yīng)不少于規(guī)定時(shí)間。

(5) 投入運(yùn)行的設(shè)備應(yīng)經(jīng)常檢查，并做好烘烤記錄。

3.4 使用效果

應(yīng)用爆裂試驗(yàn)研究所確定的烘烤制度對(duì)第三塊加熱爐燒嘴進(jìn)行烘烤實(shí)踐，烘烤過程各工序運(yùn)行正常，通過爐外觀火孔觀察加熱爐燒嘴沒有發(fā)生爆裂，澆注料坯體無剝落。烘烤結(jié)束開爐觀察發(fā)現(xiàn)，加熱爐燒嘴無爆裂，表面無剝落無裂紋。此后，該耐火材料企業(yè)一直為廠家提供加熱爐燒嘴，并使用筆者制定的烘烤制度進(jìn)行烘烤，到目前為止都沒有出現(xiàn)過剝落或爆裂，廠家反映良好。

4 結(jié)語

通過對(duì)澆注料烘烤時(shí)內(nèi)部蒸氣壓力與熱應(yīng)力致爆裂機(jī)理的研究可更好的厘清澆注料烘烤損壞的原因，并有效指導(dǎo)澆注料抗爆裂性的改善。

結(jié)合澆注料烘烤致爆裂的機(jī)理與生產(chǎn)實(shí)際環(huán)境可制定其科學(xué)合理的烘烤制度，有效避免澆注料開裂，剝落或者爆裂的發(fā)生，提高產(chǎn)品性能，增加企業(yè)效益。本烘烤曲線的制定可為其他澆注料或窯爐烘烤提供指導(dǎo)或借鑒意義。