沖蝕磨損是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的一種磨損形式。高溫下,固體粒子的沖蝕磨損是造成工業(yè)窯爐襯里材料損壞的一個(gè)重要因素,也給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多不利影響。高爐上部和風(fēng)口,水泥窯窯口、下料管、冷卻器和噴煤管,石灰窯內(nèi)襯,電廠循環(huán)流化床鍋爐的旋風(fēng)分離器等部位的工作條件極其苛刻,要求能承受高溫、高速含塵氣流的長(zhǎng)期沖刷。因此,隨著剛玉質(zhì)耐火材料在這些領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,對(duì)其沖蝕磨損性能的研究顯得越來(lái)越重要。近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)金屬材料的磨損做了大量研究工作,對(duì)陶瓷材料磨損的報(bào)道大多是常溫下的磨損研究,而中、高溫下耐火材料磨損研究的報(bào)道很少。
1.1 試樣制備
將經(jīng)過(guò)濃度為10mol·L-1的鹽酸酸洗、烘干后的剛玉顆粒和細(xì)粉及添加劑按表1的組成配料后在球磨機(jī)中混合,用NYL-500型500kN壓力試驗(yàn)機(jī)以300MPa的壓力壓制成型為60mm×60mm×5mm的試樣,并于1500℃3h燒成。
表1 試樣配比(w)
1.2 試驗(yàn)方法
使用的磨料分別是粒度為1～3mm和2～5mm未整形的棕剛玉顆粒,在試驗(yàn)中盡量選用粒子大小及化學(xué)組成等均勻的磨料,并在使用前充分干燥。盛放樣品的試樣架為氮化硅結(jié)合SiC匣缽,內(nèi)置不同角度的楔塊,可進(jìn)行不同沖蝕角下的沖蝕試驗(yàn)。磨損量的測(cè)量可采用線形磨損測(cè)量法、面積磨損測(cè)量法、體積磨損測(cè)量法與質(zhì)量磨損測(cè)量法。在本試驗(yàn)?zāi)チ_蝕過(guò)程中,由于磨損寬度、磨損面積和磨損厚度不容易測(cè)定,會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差,因此,選用了質(zhì)量法來(lái)衡量試樣磨損量的大小,即用沖蝕磨損率來(lái)表示材料的耐磨性。沖蝕磨損率按下式進(jìn)行計(jì)算:
式中:ΔE為沖蝕磨損率,mg·g-1;ΔW為試樣磨損前后的質(zhì)量損失,mg;ν為磨料的流量,g·min-1;t為沖蝕時(shí)間,min。試驗(yàn)時(shí),沖蝕粒子用量為30kg,沖蝕溫度為600～1200℃,每次沖蝕時(shí)間為15min,熱電偶距離試樣背面不超過(guò)20mm。具體過(guò)程是將棕剛玉顆粒按給料流速和時(shí)間稱取相應(yīng)的質(zhì)量后放入料倉(cāng)中,當(dāng)試樣架內(nèi)熱電偶溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度后,使其恒溫30min,開(kāi)動(dòng)顆粒加速裝置,并打開(kāi)料倉(cāng)下的加料閥門,使磨料顆粒以一定的流速和流量沖向試樣。在試驗(yàn)前用感量為10μg天平稱量試樣的干燥質(zhì)量,試驗(yàn)后掃除試樣表面的粉塵,并稱量試驗(yàn)后的試樣質(zhì)量。
2.1水泥加入量對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料沖蝕磨損率的影響
水泥加入量對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料沖蝕磨損率的影響。從圖可以看出,隨著水泥加入量的增加,剛玉質(zhì)耐火材料的沖蝕磨損率增大,耐磨性能降低。圖為水泥加入量為6%的3#試樣沖蝕磨損后的SEM照片。從圖可以看出試樣前端的基質(zhì)已經(jīng)十分疏松,并在基質(zhì)和剛玉顆粒之間出現(xiàn)了裂紋,這進(jìn)一步說(shuō)明水泥加入量為6%時(shí)的沖蝕磨損較嚴(yán)重。這可能是由于1500℃燒后,試樣中純鋁酸鈣水泥所形成的主要物相CA、α-Al2O3、少量的CA6、C2A以及水泥所帶入的CaO與配料中的SiO2和Al2O3反應(yīng)生成的低熔點(diǎn)礦物鈣長(zhǎng)石(CAS2)或鈣鋁黃長(zhǎng)石(C2AS)等隨著水泥加入量的增加而增加,從而導(dǎo)致基質(zhì)的中、高溫強(qiáng)度和抗沖蝕性下降。此外,中溫時(shí),鋁酸鈣水化物在脫水和分解過(guò)程中使水合鍵遭到破壞,導(dǎo)致剛玉質(zhì)耐火材料強(qiáng)度顯著降低,也會(huì)導(dǎo)致材料的耐沖蝕磨損性下降。
2.2 硅微粉加入量對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料沖蝕磨損率的影響
硅微粉加入量對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料沖蝕磨損率的影響。從圖可以看出,隨著硅微粉加入量的增加,剛玉質(zhì)耐火材料的沖蝕磨損率減小,耐磨性能提高,且加入量>3%時(shí)沖蝕磨損率降幅較小。從圖可以看出:隨著沖蝕時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋不斷擴(kuò)展,導(dǎo)致裂紋所包圍的整塊材料脫落時(shí)材料的切面呈鋸齒狀。
眾所周知,在以硅微粉為結(jié)合系統(tǒng)時(shí),澆注料強(qiáng)度的獲得是由于SiO2水化后在表面形成了類似硅膠結(jié)構(gòu)的Si—OH鍵,脫水聚合成Si—O—Si網(wǎng)狀鏈。在試樣中加入少量的SiO2微粉于1500℃燒后會(huì)形成液相,促進(jìn)了試樣的燒結(jié),使材料的顯氣孔率也隨之降低,結(jié)構(gòu)更加致密,試樣強(qiáng)度提高,所以會(huì)降低沖蝕磨損率;而且基質(zhì)中的物相主要為莫來(lái)石和剛玉,也增加了材料的耐磨損性能。綜合考慮,確定硅微粉加入量為3%。
2.3 沖蝕溫度對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料沖蝕磨損率的影響
從圖中可以看出,隨著沖蝕溫度的升高,幾種剛玉質(zhì)耐火材料的沖蝕磨損率均逐漸增大,在1000℃左右達(dá)到最大;繼續(xù)升高溫度,剛玉質(zhì)耐火材料的沖蝕磨損率反而降低。材料的沖蝕磨損存在兩種典型的沖蝕模型:塑性沖蝕和脆性沖蝕。低溫下剛玉質(zhì)耐火材料的韌性相對(duì)很低,體現(xiàn)了脆性沖蝕的特點(diǎn)。但達(dá)到某高溫時(shí)就會(huì)出現(xiàn)少量的玻璃相,這種玻璃相在高溫下具有較高的粘性,它能夠松弛應(yīng)力集中,提高斷裂韌性,從而使剛玉質(zhì)耐火材料表現(xiàn)出一定的塑性,明顯改善其脆性。
2.4 沖蝕角和磨料粒度對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料沖蝕磨損率的影響
從圖中可以看出,在30～60°范圍內(nèi),隨著沖蝕角的增大,不同粒度的磨粒對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料的沖蝕磨損率均隨之增大,且沖蝕角在45～60°之間時(shí),其沖蝕磨損率迅速增大,這表明沖蝕磨損機(jī)制發(fā)生了轉(zhuǎn)變。從能量角度看,當(dāng)粒子沖擊到靶面時(shí),材料的沖蝕是由垂直方向的沖擊和水平方向的切削造成的。當(dāng)入射角度小,入射速度在垂直方向的分量就小,入射粒子在垂直方向的動(dòng)能分量導(dǎo)致的脆性材料的裂紋擴(kuò)展和交叉也少。由于剛玉質(zhì)耐火材料一般具有高硬度,所以由粒子水平方向上切削造成的沖蝕是比較低的。隨著入射角度的增大,法向沖擊不斷增大,使材料表面或亞表面形成裂紋,裂紋在后序磨粒的持續(xù)作用下擴(kuò)展,最終導(dǎo)致基質(zhì)的流失。此外,從圖還可以看出,在同一沖蝕角下,沖蝕磨損率隨磨粒尺寸的增大而增大。這是由于磨粒尺寸大,其沖擊動(dòng)能也大,沖擊靶面的應(yīng)力也增大,即增加了外表面的變形量,使得外表層顆粒脫落速率加快,沖蝕磨損率增加。
為不同沖蝕角下沖蝕后剛玉質(zhì)耐火材料的SEM照片。從圖切削留下的溝槽的顯微照片可以看出:剛玉質(zhì)耐火材料在低沖蝕角時(shí),由于磨粒的硬度比基質(zhì)的硬度高,角狀的磨粒易對(duì)基質(zhì)切削留槽。隨著沖擊角度的增加,由于樣塊基質(zhì)吸收了沖擊粒子大部分的能量,塑性迅速耗盡。磨粒的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為材料的彈性功、塑性功和裂紋擴(kuò)展功;隨著變形量的增大,將導(dǎo)致微裂紋的成核、擴(kuò)展,最終引起顆粒脫落。沖擊能量的增大,會(huì)誘發(fā)亞表層、甚至更深層的微裂紋張大、擴(kuò)展。
結(jié)論
(1)剛玉質(zhì)材料的抗沖蝕性能與水泥加入量密切相關(guān),水泥加入量越多,材料的耐磨性能越差,最終確定為2%。
(2)加入少量硅微粉有利于提高剛玉質(zhì)耐火材料的抗沖蝕能力,以3%為宜。
(3)隨著沖蝕溫度的升高,剛玉質(zhì)耐火材料的沖蝕磨損率逐漸增大,在1000℃左右達(dá)到最大,繼續(xù)升高溫度,沖蝕磨損率反而降低。(4)剛玉質(zhì)耐火材料的沖蝕磨損一般表現(xiàn)為較強(qiáng)的脆性沖蝕特征,其沖蝕磨損率隨沖蝕角的增大而增大;在同一沖蝕角下,大粒度磨粒對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料沖蝕磨損的影響要比小粒度磨粒大。
