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                直接復合制備水泥窯用輕重復合矽莫磚研究

                發布日期: 2019-11-26 15:00:51    閱讀量(120)    作者:張紅

                矽莫磚■是以高鋁礬土、碳化矽、黏土為主要原料,經成型、高溫燒成而制得的以莫來石、碳化矽為主晶相的高鋁-碳化矽質耐火制品。它具有較好的抗熱震性、耐磨性及抗堿性氣體侵蝕@ 性,所以在水泥窯過渡帶取得了較好的使用效果。隨著水泥綠色制造技術的發展,要求降低窯襯的熱導率及體積密度,以減少窯體熱損失,降低窯體自重,因此近幾◥年開發了低導熱輕型矽莫磚。目前低導熱矽莫磚多采用在高溫燒後的半成品中嵌入矽酸鋁纖維或高鋁輕質彩神8官网的♀方法生產,其工藝較復雜ζ。若能將重質和輕質彩神8官网采用直接復合成型、燒成的方法生¤產,可簡化其生產工藝。基於此,本工作中探討了直接復合工藝,並研究輕質莫來石〓球和碳化矽加入量對輕重復合矽莫磚性能和顯微結構的影響。

                1、試驗

                1.1原料

                試驗⌒所用的原料有:高鋁礬土顆粒和細粉,w(Al2O3)=81.68%w(Fe2O3)=1.67%,體積密度為2.90g·cm-3,骨料粒度為53mm31mm≤1mm,細粉粒度≤0.088mm;輕質莫來石球,w(Al2O3)=70.30%w(Fe2O3)=1.38%,體積密度為1.55g·cm-3,粒度為31mm;碳化矽,w(SiC)=95.52%,粒度≤0.074mm;黏土,w(Al2O3)=36.28%,粒度≤0.088mm。結合劑采用密度為1.15g·cm-3的紙漿廢液。

                1.2試樣制備

                試樣配方見表1。其中:0#是本體料的配方;A組是在╳本體料配方基礎上加入不同量輕質莫來石球的≡復合層料配方;B組是在加入輕質莫來≡石球基礎上降低碳化矽加入量的復合層料配方,希望進一步降低復合層的↘熱導率。

                1試樣配方

                 

                按表1的配比稱量各種原料和結合劑,在小型混練機中混合均勻。取150mm×25mm×25mm的模具,在其長度方向的中間垂直放置60mm×24mm×0.5mm的鋼板將模具內腔平分為兩部分,在一部分中加入本№體料(0#),在另一部分中↙加入復合層料。加完料後,抽出鋼板,用液壓機以120MPa的壓力直接一次成型制成150mm×25mm×25mm的復合試樣,如圖1所示。成型試樣自然幹燥24h後,經110℃烘幹24h,然後在電爐中1400℃保溫3h燒成。

                 

                1試樣的復合結構

                1.3表征

                對於∑燒後的試樣,觀察其本體與復合層界面的結合情況,並測量復合試樣燒成前後的尺寸,計算加熱永久☆線變化率。分別按GB/T3001—2007GB/T3002—2004檢測燒後復合試樣的常溫抗折強度和高溫抗折強度(1000℃保溫30min);GB/T2997—2015檢測常溫抗折強度試驗後殘樣的顯氣孔率和體積密度。在復合界面附近取包括本█體層、復合層的試樣,用SEM分別觀察▽其顯微結構。

                2、結果與討論

                2.1輕質〖莫來石球加入量的影響

                輕質莫▅來石球加入量對燒後試樣(A)加熱永久線變化率、顯氣孔率、體積密度以及抗折強度的影響如圖2所示。

                從圖2(a)可看出,所有復合試樣燒後均產生一定量的膨脹,隨著輕質莫來石球加入量的增加,其燒後膨脹逐漸減小。試樣的加熱永久線變化是生成莫來石產生的膨脹、SiC氧化產生的膨脹與燒結收縮共同作用的結果,因膨㊣ 脹作用大於收縮作用,所以㊣ 各試樣燒後均呈現一定量的膨脹。因輕質莫來石球屬多孔結構,燒成過程中會產生收縮,所以隨著其加入量增加,復合試樣膨脹量逐漸減少,但差別不太大。

                從圖2(b)可看出,與不加輕質莫來石球的本體試樣相比,加入輕質莫來石球的復合層試樣體積密度明顯減小,顯氣孔率增大。由於輕質莫來石球的體積密度較低,所以隨著其加入量的增加,試樣的體積密度逐漸降低,顯氣孔率逐漸增大;當輕質莫來石球加入量超過22%(w)時,試樣的體積密度降低幅度較大,顯氣孔率增加較多。降低體積密度∴,增加顯氣孔率,可降低彩神8官网的熱導率ぷ,並有利於實現︻矽莫磚的輕質化。

                 

                2輕質莫來石球加入量對試樣性能的影響

                從圖2(c)可看出,隨著輕質莫來︼石球加入量增加,復合試樣的常溫和高溫抗折強度均呈現下降趨勢。當輕質莫來石球加入量為低於22%(w)時,試樣的抗』折強度降◥低幅度較小;當輕質莫來石球加入≡量大於22%(w)時,抗折強度降低幅≡度較大。這是由於輕質莫來石球內部有一∑ 定數量的氣孔,在應力作用下會成為彩神8官网中的薄弱點,影響試樣的強度。

                可見,當輕質莫來石球加入量不超過22%(w)時,復合試樣具有較高的常溫抗折強度和高溫抗折強度,可以滿足高溫使ㄨ用要求。實際生產ㄨ中,矽莫磚的厚度一般為200mm左右,采用輕重復合結構時,其復合部位一般在距冷端表面的3050mm處,而此處的工作溫度一般低於1000℃,使用的安全可靠性更有保障。

                2.2碳化矽加入量的影響

                碳化矽√加入量對燒後試樣(B)加熱永久線變化率、顯氣孔率、體積密度及抗折強度的影響如圖3所示。

                 

                3碳化矽加入量對試樣性能的影響

                從圖3(a)以看出,隨著復合〓層中碳化矽加入量的降低,復合層與本體所制復合試樣的加熱永久線變化率逐漸降低,並由膨脹轉變⌒為收縮。降低碳化矽加入量,要相應增加礬土加入量,雖然生成』的莫來石增加,產生的膨脹量增大,但礬土帶入的雜質也較Ψ 多,高溫下形成的液相量會增大,從而導致燒結收縮增大,總體表現為加」熱永久線變化率降低。從燒後復合試樣的外觀看,當復合層中碳化矽加入量由12%(w)降到6%(w)以下時,兩種料←的熱失配性增加,會影響復合結構的結合強度及穩↓定性。

                由圖3(b)可以看出,隨著復合層∑試樣中碳化矽加入量的降低,試樣的顯氣孔率先降低後增加,體積密度先增⌒加後降低。高溫下SiC氧化產生約1倍的體積膨脹,使試樣致密化,同時氧化產物SiO2的活性較大,和礬土粉引入的ㄨ雜質相互作用,增加液相量,可促進燒結。在碳化矽加入量為12%(w)的試樣A2中,礬土粉加入量較少,高溫時液】相的數量相對較少;沒加碳化矽的試樣B3中不存在SiC氧化生成的活性SiO2,高溫液相的數量也相對較少。相比之下,碳化矽加入量為6%(w)的試樣B1中,高溫時液相量相對較多,生成莫來石的數量適中,燒結較充分,因此其顯氣孔率最★低,體積密度最高▽。

                由圖3(c)可以看出,隨著復合層中碳化矽加入量的降低,復合試樣的常溫和高溫抗折強度都呈現先增加後降低的趨勢。復合層中碳化矽加入量為6%(w)時,由♀於復合層與本體有較好的熱匹配性,復合界面燒結良好,抗折強度最高,此時復合試樣的常溫抗折強■度和1000℃下高溫抗折強度分別為13.014.8MPa。雖然降低復合層的碳化矽加入量有利於降低彩神8官网的熱導率和體積密度,但復合層與本體的碳化矽加入量♀相差不能太大,否則會因熱失配而影響復合界面的結合強度。在本試ぷ驗中,復合層與本體的碳化矽加入量差值以6%(w)左右為宜。

                2.3顯微結構分析

                4示出了試樣A2中輕質莫來石球在不同放大倍數下的顯微形貌。圖4(a)是試樣中一個輕質莫來石球的內部結構放大照片,可以看出球體為類層狀多孔結構,球內有一定數量呈環向分布的長條狀氣孔,其尺寸為(48)μm×(40160)μm,氣孔相對較大,有利於降低彩神8官网的體積密度,但會成為彩神8官网結構的薄弱點,影響其強╱度,所以加入輕質莫來石球後試樣的抗折強度降低。從圖4(b)可以看√到輕質莫來石球(圖中標註“M”)與基質的結合情況,輕質球的外形輪廓已不清晰,與基質燒結為一體,且結合緊密。

                  

                4試樣A2中輕質莫來石球的顯微形貌

                5示出了加入不同量」碳化矽的復合層試樣在不同放大倍」數下的顯微形貌。從圖5可看出,碳化矽加入量為6%(w)的試樣B1燒結良好,基質中莫來石晶體連成整體,氣孔數量相對較少;碳化矽加入量為12%(w)的試樣A2和未加碳化矽的試樣B3燒結稍差,而且試樣B3中剛玉相對較多。從顯微結構中還發現,試樣A2SiC氧化程度⌒高於試樣B1的,這是因為隨著碳化矽加入量增加,SiC接觸空氣的Ψ概率增大,氧化的動力學Ψ條件更充分。由於SiC氧化產生較大的體積膨脹,因此,隨著碳化矽加入量增加,試樣加熱永︻久線變化率增大;SiC氧化後生成玻璃相,封堵或填充氣孔,有利於降低彩神8官网的顯氣孔率。


                5加入不同量碳化矽的復合層試樣的顯微形貌

                 

                6本體與復合層的復合界面的顯微形貌

                6示出了本體分別與復合層B1B3的復合界面的顯微形貌。從中可以看出:在碳化矽加入量為12%(w)的本體與碳化矽加入量為6%(w)的復合層B1的ζ 復合界面中,氣孔數量較少,氣ω 孔直徑較小,有利於形成高強度的▓過渡區,使復合結構ω的穩定性更好;而在本體與不加碳化矽的復合層B3的復合界面中,氣孔多且孔徑較大,不利於形成穩定的復合界面。對■於本體與復合層B3的復合界面,由於復合層B3中加入的礬土粉較多,引入雜質的量也較大,同時,本體中因SiC氧化生成高活性的SiO2,兩者的疊加效應使本體與復合層B3的復合界面處生成的液相量相對較多,造成在1400℃下過燒,氣孔率較高,從而導致本體與B3復合的試樣常溫和高溫抗折強度較低。而本體與復合層◥B1的√復合界面處形成的液相量適中,燒結良好,生成的莫●來石相也較多,結構↓較致密,因此,本體與B1復合的試樣常溫√和高溫抗折強度也較高。

                3、結論

                (1) 在矽莫磚的復合層中加入22%(w)左右的輕質莫來石球,采用與本體料直接一次成型、燒成的工藝,可制得復合結構穩定、性能良好的輕重復合矽莫磚,具有工藝簡單的特點。

                (2)在加入輕質莫來石球的基礎上,降低復合層中碳化矽加入量,可進一步降低矽莫磚的熱導率,但復合層與本體的碳化矽加入量差值不可太大,否則會影響復合界面的結合強度。在本試驗█中,復合層與本體的碳化矽加入量差值在6%(w)左右為宜。

                本文作者:石凱夏熠

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