Analiza vatrostalnih oštećenja u stubovima koksnih peći za suho gašenje pokazuje da je poboljšanje čvrstoće na savijanje i otpornosti na toplinske udare vatrostalnih materijala efikasan način da se produži njihov vijek trajanja. Uvođenje čeličnih vlakana u odljevke od mulitnog silicij karbida osigurava pojačanje i žilavost, čime se produžava njihov vijek trajanja. Vrsta veziva je ključna za konstrukciju i performanse vatrostalnih liva. Ovaj članak ispituje efekte tri veziva-čistog kalcijum aluminatnog cementa (Secar 71), silicijum-sola i alumino-silika gela u prahu- na strukturu i svojstva livenog materijala kako bi se odredilo odgovarajuće vezivo.
Opća fizička svojstva
Nakon sušenja na 110 stepeni i termičke obrade na 1000 stepeni, uzorak povezan sa kalcijum-aluminatnim cementom- imao je najmanju prividnu poroznost i najveću zapreminsku gustinu, što ukazuje da se cement-vezaoliveni materijali od silicijum karbidaima najbolja svojstva tečenja, olakšavajući formiranje uzorka. Uzorak vezan za kalcijum aluminat cement- je doživio značajnu dehidraciju na 850 stepeni, što je rezultiralo povećanom prividnom poroznošću i smanjenom zapreminskom gustinom. Nakon termičke obrade na 1000 stepeni, uzorak se sinterovao i skupio, povećavajući svoju gustinu.
Čvrstoća na savijanje i tlačna čvrstoća uzoraka s različitim vezivnim tvarima na sobnoj{0}}temperaturi povećavaju se s povećanjem temperature toplinske obrade. Nakon sušenja na 110 stepeni, uzorak vezan kalcijum aluminatnim cementom imao je najveću čvrstoću na savijanje, na 7,5 MPa, dok je uzorak spojen sa aluminij-silika gel prahom imao najmanju čvrstoću. To ukazuje da se kemijska reakcija između cementa i vode učvršćuje i stvrdnjava, što rezultira najvećom čvrstoćom, što je najpovoljnije za sigurnost konstrukcije vatrostalnih liva. Nakon termičke obrade na 850 stepeni, savojna čvrstoća na sobnoj{8}temperaturi uzoraka sa tri veziva nije se značajno razlikovala. Uzorak vezan kalcijum aluminatnim cementom imao je najveću tlačnu čvrstoću na sobnoj{10}temperaturi, 53,6 MPa. Nakon termičke obrade na 1000 stepeni, uzorak vezan kalcijum-aluminatnim cementom imao je najveću otpornost na savijanje pri sobnoj{14}temperaturi, na 14,3 MPa, dok je uzorak povezan sa aluminij{16}}silika gel prahom imao najveću tlačnu čvrstoću na sobnoj{17}temperaturi, 70.2 MPa. Ovo ukazuje da faze kalcijum monoaluminata (CA), kalcijum dialuminata (CA2) i kalcijum dodekaluminata (C12A7) koje nastaju hidratacijom kalcijum aluminatnog cementa imaju visoku snagu vezivanja. Nano-Al2O3 i SiO2 u prahu alumino-silika gela reaguju da formiraju fazu mulitnog vezivanja, što može poboljšati snagu livenog materijala od silicijum karbida.
Distribucija veličine pora
Nakon termičke obrade na 1000 stepeni, prosječna veličina pora uzoraka vezanih kalcijum aluminatnim cementom (Grupa A) bila je 0,23 μm, sa srednjim prečnikom od 0,74 μm. Distribucija veličine pora bila je najkoncentriranija (0,01 μm do 2 μm). Uzorci vezani silicijum-solom (Grupa B) imali su najmanju prosječnu veličinu pora, 0,13 μm, sa srednjim promjerom od 0,40 μm, i širu raspodjelu veličine pora (0,01 μm do 4 μm). Uzorci vezani prahom alumino-silika gela (Grupa C) imali su najveću prosječnu veličinu pora, 0,28 μm, sa srednjim prečnikom od 0,77 μm. Raspodjela veličine pora kretala se od 0,01 μm do 6 μm, ali je distribucija veličine pora bila koncentrirana u rasponu od 0,01 do 1 μm.
Čvrstoća na savijanje pri visokoj-
Uzorak spojen na sol{0}} silicijum dioksida imao je najveću čvrstoću na savijanje pri visokim temperaturama, na 13,7 MPa. Uzorci vezani za cement-i aluminij-silika gel u prahu-povezani uzorci imali su nižu čvrstoću na savijanje pri visokim{7}}ima, na 7,8 MPa i 8,3 MPa, respektivno. To je zato što nano{11}}SiO2 u silicijum solu formira silicijum{13}}kiseonička mreža unutar uzorka i vrlo je reaktivan. Na 1000 stepeni, on lako reaguje sa aktivnim -Al2O3 mikropraškom da formira mulitnu mrežu, povećavajući snagu uzorka. Aluminij{20}}silika gel u prahu sadrži manje SiO2, tako da mulitna mreža formirana u uzorku na 1000 stepeni nije tako jaka kao ona kod uzorka vezanog za sol{23}}silicijum dioksida, što rezultira nižom čvrstoćom na savijanje pri visokim{24}}ima. Kalcijum aluminatni cement sadrži određenu količinu CaO, koji lako reaguje sa SiO2 i Al2O3 u materijalu na visokim temperaturama da bi se formirale faze niske-tačke-tačke kao što su 3CaO×Al2O3 i 2CaO×Al2O3×SiO2. Ove faze tada postaju tečne na visokim temperaturama, smanjujući otpornost uzorka na visoko{38}temperaturnu savojnu čvrstoću.
Stabilnost toplotnog udara
Uzorak spojen na sol{0}} silicijum dioksida pokazao je najveću zaostalu čvrstoću na savijanje, na 7,8 MPa. Uzorak spojen prahom od aluminij-silika gela pokazao je najmanju zaostalu čvrstoću na savijanje, na 5,3 MPa. Uzorak vezan kalcijum aluminatnim cementom pokazao je i visoku zaostalu čvrstoću na savijanje i zadržavanje čvrstoće na savijanje. Vrhunska otpornost na termički udar uzoraka vezanih za cement-aluminat i silicijum sol-može biti posljedica njihove koncentrisane distribucije veličine pora i strukture mreže silicijum-kiseonika, respektivno. Unutar heterogenih višefaznih vatrostalnih materijala, razlike u koeficijentima toplinske ekspanzije između faza uzrokuju stvaranje brojnih mikropukotina u odljevcima od silicijum karbida tokom neusklađenosti termičkog širenja. Ove mikropukotine ne samo da apsorbuju energiju elastične deformacije, smanjujući pokretačku silu za rast primarne pukotine, već i raspršuju napon koncentriran na vrhu pukotine, rasipajući energiju potrebnu za širenje prsline i poboljšavajući otpornost materijala na termički udar.
Otpornost na habanje
Ispitivanja abrazije su sprovedena na uzorcima sa različitim vezivima nakon sinterovanja na 1000 stepeni. Rezultati su pokazali da su uzorci vezani aluminatnim cementom-i alumino-silika gel prahom-vezani uzorci pokazali manje habanje, pri čemu je uzorak povezan sa aluminatnim cementom- pokazao najmanje habanje, na 3,75 cm³, a najveći uzorak trošenja koloidnog silika{7}hi{7} cm³. Za heterogene vatrostalne materijale koji se sastoje od agregata i matrice, erozijsko trošenje obično prvo uklanja matricu, ostavljajući izbočene, izolirane čestice{10}}slične otoke kao primarni cilj habanja. Ove čestice tada padaju, stvarajući pukotine i dodatno oštećujući okolni matriks. Uzorci vezani za aluminatni cement- pokazali su veću gustinu, formirajući Si-O- Al veze između SiO₂ praha i cementnog hidrata, što je rezultiralo čvrstom vezom matrice i boljom otpornošću na habanje. U uzorcima vezanim za alumino-silika gel prah-, nano-Al₂O₃ je reagovao sa SiO₂ da bi formirao mulitnu matricu, povećavajući otpornost na habanje. Koloidni silicijum{21}}povezani uzorci pokazali su brojne mikropukotine u matriksu, što ih čini manje otpornim na trošenje erozijom.
Microstructural Analysis
Nakon termičke obrade na 1000 stepeni, uzorci vezani sa kalcijum aluminatnim cementom- pokazali su najčvršću vezu između matrice i agregata, što je doprinijelo njihovoj većoj gustoći, čvrstoći i otpornosti na habanje. Nadalje, matrica je sadržavala brojne mikropukotine, što je rezultiralo koncentriranom raspodjelom veličine pora i odličnom otpornošću na termički udar. Uzorci vezani za sol{4}} silicijum dioksida pokazali su brojne šupljine i mikropukotine, što je doprinijelo njihovoj visokoj prividnoj poroznosti, širokoj distribuciji veličine pora i slaboj otpornosti na habanje. Nadalje, prisustvo velike strukture silicijumske-kiseoničke mreže doprinijelo je njihovoj visokoj čvrstoći na savijanje pri visokim{7}temperaturama i odličnoj otpornosti na termički udar. Uzorci vezani u prahu od glinice-silika gela- pokazali su bolju vezu između agregata i matrice, sa velikom stubastom mulitnom mrežom u matrici, što je rezultiralo superiornim mehaničkim svojstvima i otpornošću na habanje.
