L'analisi dei danni refrattari nei pilastri dello scivolo del forno da coke con tempra a secco indica che il miglioramento della resistenza alla flessione e alla resistenza allo shock termico dei materiali refrattari è un modo efficace per prolungarne la durata. L'introduzione di fibre di acciaio nei calcinabili di carburo di silicio di mullite fornisce rinforzo e tenacità, prolungandone così la durata. Il tipo di legante è fondamentale per la costruzione e le prestazioni dei calcinabili refrattari. Questo articolo esamina gli effetti di tre leganti-cemento puro di alluminato di calcio (Secar 71), sol di silice e alluminio-polvere di gel di silice-sulla struttura e sulle proprietà dei calcinabili per determinare il legante appropriato.
Proprietà fisiche generali
Dopo l'essiccazione a 110 gradi e il trattamento termico a 1000 gradi, il campione legato con cemento di alluminato di calcio-aveva la porosità apparente più bassa e la densità apparente più alta, indicando che il cemento-legatocalcinabili di carburo di silicioha le migliori proprietà di flusso, facilitando la formazione del campione. Il campione legato con cemento di alluminato di calcio- ha subito una significativa disidratazione a 850 gradi, con conseguente aumento della porosità apparente e diminuzione della densità apparente. Dopo il trattamento termico a 1000 gradi, il campione si è sinterizzato e si è ristretto, aumentando la sua densità.
La resistenza alla flessione-a temperatura ambiente e la resistenza alla compressione dei campioni con leganti diversi aumentavano con l'aumento della temperatura del trattamento termico. Dopo l'essiccazione a 110 gradi, il campione legato con cemento di alluminato di calcio aveva la resistenza alla flessione più alta, a 7,5 MPa, mentre il campione legato con polvere di gel di silice di allumina- aveva la resistenza più bassa. Ciò indica che la reazione chimica tra cemento e acqua si solidifica e si indurisce, determinando la massima resistenza, che è maggiormente favorevole alla sicurezza costruttiva dei calcinabili refrattari. Dopo il trattamento termico a 850 gradi, la resistenza alla flessione a temperatura ambiente-dei campioni con i tre leganti non differiva in modo significativo. Il campione incollato con cemento di alluminato di calcio aveva la resistenza alla compressione a temperatura ambiente-più elevata, pari a 53,6 MPa. Dopo il trattamento termico a 1000 gradi, il campione incollato con cemento di alluminato di calcio aveva la resistenza alla flessione a temperatura ambiente-più alta, pari a 14,3 MPa, mentre il campione incollato con polvere di gel di silice di allumina-aveva la resistenza alla compressione a temperatura ambiente-più alta, a 70,2 MPa. Ciò indica che le fasi monoalluminato di calcio (CA), dialluminato di calcio (CA2) e dodecaluminato di calcio (C12A7) prodotte dall'idratazione del cemento di alluminato di calcio possiedono un'elevata forza di adesione. I nano-Al2O3 e SiO2 nella polvere di gel di silice di alluminio-reagiscono per formare una fase di legame mullite, che può migliorare la resistenza del materiale colabile in carburo di silicio.
Distribuzione della dimensione dei pori
Dopo il trattamento termico a 1000 gradi, la dimensione media dei pori dei campioni incollati con cemento di alluminato di calcio (Gruppo A) era di 0,23 μm, con un diametro medio di 0,74 μm. La distribuzione della dimensione dei pori era la più concentrata (da 0,01 μm a 2 μm). I campioni legati con sol di silice (Gruppo B) avevano la dimensione media dei pori più piccola, 0,13 μm, con un diametro medio di 0,40 μm e una distribuzione delle dimensioni dei pori più ampia (da 0,01 μm a 4 μm). I campioni legati con polvere di gel di alluminio-silice (Gruppo C) avevano la dimensione media dei pori più grande, 0,28 μm, con un diametro medio di 0,77 μm. La distribuzione delle dimensioni dei pori variava da 0,01 μm a 6 μm, ma la distribuzione delle dimensioni dei pori era concentrata nell'intervallo da 0,01 a 1 μm.
Resistenza alla flessione-alle alte temperature
Il campione legato al sol-di silice presentava la resistenza alla flessione alle alte-temperature più alta, pari a 13,7 MPa. I campioni legati con cemento-e con allumina-polvere di gel di silice-avevano resistenze alla flessione alle alte-temperature inferiori, rispettivamente a 7,8 MPa e 8,3 MPa. Questo perché il nano-SiO2 nel sol di silice forma una rete di silicio-ossigeno all'interno del campione ed è altamente reattivo. A 1000 gradi, reagisce prontamente con la micropolvere attiva -Al2O3 per formare una rete di mullite, migliorando la forza del campione. La polvere di gel di silice di allumina-contiene meno SiO2, quindi la rete di mullite formata nel campione a 1000 gradi non è forte come quella del campione legato con sol di silice-, con conseguente minore resistenza alla flessione alle alte-temperature. Il cemento alluminato di calcio contiene una certa quantità di CaO, che reagisce prontamente con SiO2 e Al2O3 nel materiale ad alte temperature per formare fasi a basso punto di fusione-come 3CaO×Al2O3 e 2CaO×Al2O3×SiO2. Queste fasi diventano quindi liquide alle alte temperature, riducendo la resistenza alla flessione alle alte-temperature del campione.
Stabilità allo shock termico
Il campione legato al sol-di silice ha mostrato la resistenza alla flessione residua più elevata, pari a 7,8 MPa. Il campione legato con polvere di gel di silice e allumina- ha mostrato la resistenza alla flessione residua più bassa, pari a 5,3 MPa. Il campione incollato con cemento di alluminato di calcio ha mostrato sia un'elevata resistenza alla flessione residua che un mantenimento della resistenza alla flessione. La resistenza superiore allo shock termico dei campioni legati con cemento-alluminato di calcio e legati con sol-di silice può essere dovuta rispettivamente alla distribuzione concentrata delle dimensioni dei pori e alla struttura della rete di silicio-ossigeno. All'interno di materiali refrattari multifase eterogenei, le differenze nei coefficienti di dilatazione termica tra le fasi causano la formazione di numerose microfessure nei calcinabili di carburo di silicio durante il disadattamento dell'espansione termica. Queste microfessure non solo assorbono l’energia di deformazione elastica, riducendo la forza trainante per la crescita della fessura primaria, ma disperdono anche lo stress concentrato all’apice della fessura, dissipando l’energia necessaria per la propagazione della fessura e migliorando la resistenza allo shock termico del materiale.
Resistenza all'usura
Sono stati condotti test di abrasione su campioni con leganti diversi dopo sinterizzazione a 1000 gradi. I risultati hanno mostrato che i campioni legati con cemento alluminato-legato e con alluminio-polvere di gel di silice-hanno mostrato un'usura minore, con il campione legato con cemento alluminato-che ha mostrato l'usura più bassa, a 3,75 cm³, e il campione legato con silice colloidale-che ha mostrato l'usura maggiore, a 7,58 cm³. Per i materiali refrattari eterogenei costituiti da aggregato e matrice, l'usura da erosione in genere rimuove prima la matrice, lasciando particelle sporgenti e isolate simili a isole-come bersaglio primario dell'usura. Queste particelle poi cadono, formando crepe e danneggiando ulteriormente la matrice circostante. I campioni legati con cemento alluminato-hanno mostrato una densità maggiore, formando legami Si-O-Al tra la polvere SiO₂ e l'idrato di cemento, risultando in un legame stretto della matrice e una migliore resistenza all'usura. Nei campioni legati di alluminio-polvere di gel di silice-, nano-Al₂O₃ ha reagito con SiO₂ per formare una matrice di mullite, migliorando la resistenza all'usura. I campioni legati con silice colloidale-presentavano numerose microfessure nella matrice, rendendoli meno resistenti all'usura da erosione.
Analisi microstrutturale
Dopo il trattamento termico a 1000 gradi, i campioni legati con cemento di alluminato di calcio- hanno mostrato il legame più stretto tra matrice e aggregato, contribuendo alla loro maggiore densità, robustezza e resistenza all'usura. Inoltre, la matrice conteneva numerose microfessure, con conseguente distribuzione concentrata delle dimensioni dei pori e un'eccellente resistenza allo shock termico. I campioni legati con sol-di silice presentavano numerosi vuoti e microfessurazioni, che contribuivano alla loro elevata porosità apparente, all'ampia distribuzione delle dimensioni dei pori e alla scarsa resistenza all'usura. Inoltre, la presenza di un'ampia struttura a rete di silice-ossigeno ha contribuito alla loro elevata resistenza alla flessione alle alte-temperature e all'eccellente resistenza agli shock termici. I campioni legati con allumina-polvere di gel di silice- hanno mostrato un legame migliore tra aggregato e matrice, con un'ampia rete colonnare di mullite nella matrice, con conseguenti proprietà meccaniche e resistenza all'usura superiori.
