Analiza oštećenja vatrostalnog materijala u stupovima žlijeba koksne peći za suho gašenje pokazuje da je poboljšanje čvrstoće na savijanje i otpornosti na toplinske udare vatrostalnih materijala učinkovit način produljenja njihovog životnog vijeka. Uvođenjem čeličnih vlakana u mulit silicij-karbid zalive osigurava se ojačanje i žilavost, čime se produljuje njihov vijek trajanja. Vrsta veziva ključna je za konstrukciju i učinkovitost vatrostalnih lijevaka. Ovaj članak ispituje učinke triju veziva-čistog kalcijevog aluminatnog cementa (Secar 71), silika-sola i alumino-silikagel praha-na strukturu i svojstva lijevanih materijala kako bi se odredilo odgovarajuće vezivo.
Opća fizička svojstva
Nakon sušenja na 110 stupnjeva i toplinske obrade na 1000 stupnjeva, uzorak-povezan s kalcijevim aluminatnim cementom imao je najnižu prividnu poroznost i najveću nasipnu gustoću, što ukazuje da je cement-povezanodljevci od silicij karbidaima najbolja svojstva tečenja, olakšavajući formiranje uzorka. Uzorak vezan-kalcijevim aluminatnim cementom doživio je značajnu dehidraciju na 850 stupnjeva, što je rezultiralo povećanom prividnom poroznošću i smanjenom gustoćom. Nakon toplinske obrade na 1000 stupnjeva, uzorak se sinterirao i skupio, povećavajući svoju gustoću.
Čvrstoća na-savijanje i tlačna čvrstoća uzoraka s različitim vezivima povećavaju se s povećanjem temperature toplinske obrade. Nakon sušenja na 110 stupnjeva, uzorak vezan s kalcijevim aluminatnim cementom imao je najveću čvrstoću na savijanje, od 7,5 MPa, dok je uzorak vezan s prahom aluminij-silika gela imao najmanju čvrstoću. To ukazuje da se kemijskom reakcijom između cementa i vode skrućuje i stvrdnjava, što rezultira najvećom čvrstoćom, što najviše pogoduje sigurnosti konstrukcije vatrostalnih betona. Nakon toplinske obrade na 850 stupnjeva, otpornost na savijanje na sobnoj-temperaturi uzoraka s tri veziva nije se značajno razlikovala. Uzorak vezan kalcij-aluminatnim cementom imao je najveću tlačnu čvrstoću-na sobnoj temperaturi, od 53,6 MPa. Nakon toplinske obrade na 1000 stupnjeva, uzorak vezan s kalcijevim aluminatnim cementom imao je najveću čvrstoću na savijanje na sobnoj-temperaturi, od 14,3 MPa, dok je uzorak vezan s prahom aluminijevog-silikagela imao najveću tlačnu čvrstoću na sobnoj-temperaturi, od 70,2 MPa. Ovo ukazuje da faze kalcijevog monoaluminata (CA), kalcijevog dialuminata (CA2) i kalcijevog dodekaluminata (C12A7) proizvedene hidratacijom kalcijevog aluminatnog cementa imaju visoku čvrstoću vezivanja. Nano-Al2O3 i SiO2 u prahu alumino-silika gela reagiraju stvarajući veznu fazu mulita, što može povećati čvrstoću lijevanog silicij karbida.
Distribucija veličine pora
Nakon toplinske obrade na 1000 stupnjeva, prosječna veličina pora uzoraka spojenih kalcijevim aluminatnim cementom (skupina A) bila je 0,23 μm, s srednjim promjerom od 0,74 μm. Raspodjela veličine pora bila je najkoncentriranija (0,01 μm do 2 μm). Uzorci vezani silicijevim solom (skupina B) imali su najmanju prosječnu veličinu pora, 0,13 µm, s srednjim promjerom od 0,40 µm, te širu raspodjelu veličine pora (0,01 µm do 4 µm). Uzorci vezani prahom alumino-silikagela (skupina C) imali su najveću prosječnu veličinu pora, 0,28 μm, s srednjim promjerom od 0,77 μm. Raspodjela veličine pora bila je u rasponu od 0,01 μm do 6 μm, ali je raspodjela veličine pora bila koncentrirana unutar raspona od 0,01 do 1 μm.
Čvrstoća na-savijanje pri visokim temperaturama
Uzorak vezan -silicijevim dioksidom imao je najveću čvrstoću na savijanje pri visokim-temperaturama, od 13,7 MPa. Uzorci vezani-cementom i uzorci-silika gela-povezani s aluminijevim oksidom imali su nižu čvrstoću na savijanje pri visokim-temperaturama, od 7,8 MPa odnosno 8,3 MPa. To je zato što nano-SiO2 u silicijevom solu tvori mrežu silicij-kisika unutar uzorka i vrlo je reaktivan. Na 1000 stupnjeva, lako reagira s aktivnim -Al2O3 mikroprahom kako bi se stvorila mreža mulita, povećavajući snagu uzorka. Prah aluminijevog -silikagela sadrži manje SiO2, tako da mreža mulita formirana u uzorku na 1000 stupnjeva nije tako jaka kao ona kod silicij-povezanog uzorka, što rezultira nižom čvrstoćom na savijanje pri visokim-temperaturama. Kalcijev aluminatni cement sadrži određenu količinu CaO, koji lako reagira sa SiO2 i Al2O3 u materijalu na visokim temperaturama da bi se formirale faze s niskim-talištem-kao što su 3CaO×Al2O3 i 2CaO×Al2O3×SiO2. Te faze zatim postaju tekuće na visokim temperaturama, smanjujući čvrstoću uzorka na visoko-temperaturu savijanja.
Stabilnost na toplinski udar
Uzorak vezan so-silicijevim dioksidom pokazao je najveću preostalu čvrstoću na savijanje, od 7,8 MPa. Uzorak vezan prahom aluminijevog -silikagela pokazao je najnižu zaostalu čvrstoću na savijanje od 5,3 MPa. Uzorak vezan kalcij-aluminatnim cementom pokazao je i visoku zaostalu čvrstoću na savijanje i zadržavanje čvrstoće na savijanje. Vrhunska otpornost na toplinske udare uzoraka vezanih-kalcijevim aluminatnim cementom i-sol-silicijevim dioksidom može biti posljedica njihove koncentrirane raspodjele veličine pora odnosno strukture mreže silicij-kisika. Unutar heterogenih višefaznih vatrostalnih materijala, razlike u koeficijentima toplinskog širenja između faza uzrokuju stvaranje brojnih mikropukotina u silicij karbidnim lijevanim materijalima tijekom neusklađenosti toplinskog širenja. Ove mikropukotine ne samo da apsorbiraju energiju elastične deformacije, smanjujući pokretačku silu za rast primarne pukotine, već i raspršuju naprezanje koncentrirano na vrhu pukotine, raspršujući energiju potrebnu za širenje pukotine i poboljšavajući otpornost materijala na toplinski udar.
Otpornost na trošenje
Ispitivanja abrazije provedena su na uzorcima s različitim vezivima nakon sinteriranja na 1000 stupnjeva. Rezultati su pokazali da su uzorci vezani-aluminatnim cementom i alumino-silikagel prahom-pokazali manje trošenje, pri čemu je uzorak-vezan aluminatnim cementom pokazao najmanje trošenje, od 3,75 cm³, a koloidni-silikagel-povezani uzorak pokazao je najveće trošenje, od 7,58 cm³. Za heterogene vatrostalne materijale koji se sastoje od agregata i matrice, trošenje erozijom obično prvo uklanja matricu, ostavljajući stršeće, izolirane čestice poput otoka-kao primarni cilj trošenja. Te čestice zatim otpadaju, stvarajući pukotine i dodatno oštećujući okolni matriks. Uzorci vezani-aluminatnim cementom pokazali su veću gustoću, stvarajući veze Si-O-Al između praha SiO₂ i hidrata cementa, što je rezultiralo čvrstom vezom matrice i boljom otpornošću na trošenje. U uzorcima vezanim alumino-silika gel prahom-, nano-Al₂O₃ reagirao je sa SiO₂ da bi formirao mulitnu matricu, povećavajući otpornost na trošenje. Uzorci vezani -koloidnim silicijevim dioksidom pokazali su brojne mikropukotine u matrici, što ih je učinilo manje otpornima na trošenje erozijom.
Mikrostrukturna analiza
Nakon toplinske obrade na 1000 stupnjeva, uzorci-vezani kalcijevim aluminatnim cementom pokazali su najčvršću vezu između matrice i agregata, što je pridonijelo njihovoj većoj gustoći, čvrstoći i otpornosti na trošenje. Nadalje, matrica je sadržavala brojne mikropukotine, što je rezultiralo koncentriranom raspodjelom veličine pora i izvrsnom otpornošću na toplinski udar. Uzorci spojeni sol-silicijevim dioksidom pokazali su brojne šupljine i mikropukotine, što je pridonijelo njihovoj visokoj prividnoj poroznosti, širokoj distribuciji veličine pora i slaboj otpornosti na trošenje. Nadalje, prisutnost velike mreže silika-kisika pridonijela je njihovoj visokoj-čvrstoći na savijanje pri visokim temperaturama i izvrsnoj otpornosti na toplinski udar. Uzorci vezani-silika gelom u prahu-pokazali su bolju vezu između agregata i matrice, s velikom mrežom mulita u obliku stupaca u matrici, što je rezultiralo superiornim mehaničkim svojstvima i otpornošću na trošenje.
