Die Analyse von Schäden an feuerfesten Materialien an den Säulen der Trockenabschreckkoksofenrutsche zeigt, dass die Verbesserung der Biegefestigkeit und der Temperaturwechselbeständigkeit von feuerfesten Materialien eine wirksame Möglichkeit ist, deren Lebensdauer zu verlängern. Das Einbringen von Stahlfasern in Mullit-Siliziumkarbid-Gussteile sorgt für Verstärkung und Zähigkeit und verlängert dadurch deren Lebensdauer. Die Art des Bindemittels ist entscheidend für die Konstruktion und Leistung feuerfester Gussteile. In diesem Artikel werden die Auswirkungen von drei Bindemitteln-reiner Calciumaluminatzement (Secar 71), Kieselsol und Alumino-Kieselgelpulver-auf die Struktur und Eigenschaften von Gussmassen untersucht, um das geeignete Bindemittel zu bestimmen.
Allgemeine physikalische Eigenschaften
Nach dem Trocknen bei 110 Grad und der Wärmebehandlung bei 1000 Grad hatte die mit Calciumaluminatzement-gebundene Probe die geringste scheinbare Porosität und die höchste Schüttdichte, was darauf hinweist, dass der Zement-gebunden warGussteile aus Siliziumkarbidverfügt über beste Fließeigenschaften und erleichtert so die Probenbildung. Die mit Calciumaluminatzement-gebundene Probe erfuhr bei 850 Grad eine erhebliche Dehydrierung, was zu einer erhöhten scheinbaren Porosität und einer verringerten Schüttdichte führte. Nach der Wärmebehandlung bei 1000 Grad sinterte und schrumpfte die Probe, wodurch ihre Dichte zunahm.
Die Biegefestigkeit und Druckfestigkeit von Proben mit unterschiedlichen Bindemitteln bei Raumtemperatur nahmen mit zunehmender Wärmebehandlungstemperatur zu. Nach dem Trocknen bei 110 Grad hatte die mit Calciumaluminatzement gebundene Probe mit 7,5 MPa die höchste Biegefestigkeit, während die mit Aluminiumoxid--Kieselgelpulver gebundene Probe die niedrigste Festigkeit aufwies. Dies weist darauf hin, dass die chemische Reaktion zwischen Zement und Wasser sich verfestigt und aushärtet, was zu höchster Festigkeit führt, was der Konstruktionssicherheit von feuerfesten Gussteilen am meisten zuträglich ist. Nach der Wärmebehandlung bei 850 Grad unterschied sich die Biegefestigkeit bei Raumtemperatur der Proben mit den drei Bindemitteln nicht wesentlich. Die mit Calciumaluminatzement gebundene Probe hatte mit 53,6 MPa die höchste Druckfestigkeit bei Raumtemperatur. Nach der Wärmebehandlung bei 1000 Grad hatte die mit Calciumaluminatzement gebundene Probe mit 14,3 MPa die höchste Biegefestigkeit bei Raumtemperatur, während die mit Aluminiumoxid-Kieselgelpulver gebundene Probe mit 70,2 MPa die höchste Druckfestigkeit bei Raumtemperatur aufwies. Dies weist darauf hin, dass die Phasen Calciummonoaluminat (CA), Calciumdialuminat (CA2) und Calciumdodecaluminat (C12A7), die durch die Hydratation von Calciumaluminatzement entstehen, eine hohe Bindungsstärke besitzen. Das Nano--Al2O3 und SiO2 im Alumino---Kieselgelpulver reagieren unter Bildung einer Mullit-Bindungsphase, die die Festigkeit des Siliziumkarbid-Gussteils erhöhen kann.
Porengrößenverteilung
Nach der Wärmebehandlung bei 1000 Grad betrug die durchschnittliche Porengröße der mit Calciumaluminatzement (Gruppe A) verbundenen Proben 0,23 μm bei einem mittleren Durchmesser von 0,74 μm. Die Porengrößenverteilung war am konzentriertesten (0,01 μm bis 2 μm). Die mit Kieselsol gebundenen Proben (Gruppe B) hatten die kleinste durchschnittliche Porengröße, 0,13 μm, mit einem mittleren Durchmesser von 0,40 μm und einer breiteren Porengrößenverteilung (0,01 μm bis 4 μm). Die mit Alumino--Kieselgelpulver gebundenen Proben (Gruppe C) hatten die größte durchschnittliche Porengröße, 0,28 μm, mit einem mittleren Durchmesser von 0,77 μm. Die Porengrößenverteilung reichte von 0,01 μm bis 6 μm, die Porengrößenverteilung konzentrierte sich jedoch auf den Bereich von 0,01 bis 1 μm.
Biegefestigkeit bei hohen-Temperaturen
Die mit Kieselsäuresol-gebundene Probe hatte mit 13,7 MPa die höchste Hochtemperatur-Biegefestigkeit. Die mit Zement-gebundenen und mit Aluminiumoxid-Kieselgelpulver-gebundenen Proben hatten mit 7,8 MPa bzw. 8,3 MPa geringere Hochtemperatur-Biegefestigkeiten. Dies liegt daran, dass das Nano--SiO2 im Kieselsol ein Silizium---Sauerstoffnetzwerk innerhalb der Probe bildet und hochreaktiv ist. Bei 1000 Grad reagiert es leicht mit dem aktiven -Al2O3-Mikropulver und bildet ein Mullitnetzwerk, wodurch die Festigkeit der Probe erhöht wird. Das Aluminiumoxid-Kieselgelpulver enthält weniger SiO2, sodass das in der Probe bei 1000 Grad gebildete Mullitnetzwerk nicht so stark ist wie das der mit Kieselsäuresol-gebundenen Probe, was zu einer geringeren Biegefestigkeit bei hohen Temperaturen führt. Calciumaluminatzement enthält eine bestimmte Menge CaO, das bei hohen Temperaturen leicht mit SiO2 und Al2O3 im Material reagiert und Phasen mit niedrigem -Schmelzpunkt- wie 3CaO×Al2O3 und 2CaO×Al2O3×SiO2 bildet. Diese Phasen werden dann bei hohen Temperaturen flüssig, wodurch die Biegefestigkeit der Probe bei hohen Temperaturen verringert wird.
Thermoschockstabilität
Die mit Kieselsäuresol-gebundene Probe wies mit 7,8 MPa die höchste Restbiegefestigkeit auf. Die mit Aluminiumoxid--Kieselgelpulver gebundene Probe wies mit 5,3 MPa die niedrigste Restbiegefestigkeit auf. Die mit Calciumaluminatzement gebundene Probe zeigte sowohl eine hohe Restbiegefestigkeit als auch eine Beibehaltung der Biegefestigkeit. Die überlegene Thermoschockbeständigkeit der mit Calciumaluminatzement-gebundenen und Silicasol-gebundenen Proben kann auf ihre konzentrierte Porengrößenverteilung bzw. Silizium{9}}Sauerstoffnetzwerkstruktur zurückzuführen sein. In heterogenen mehrphasigen feuerfesten Materialien führen die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Phasen dazu, dass sich bei einer Fehlanpassung der Wärmeausdehnung zahlreiche Mikrorisse in Siliziumkarbid-Gussstücken bilden. Diese Mikrorisse absorbieren nicht nur elastische Dehnungsenergie und reduzieren so die treibende Kraft für das primäre Risswachstum, sondern verteilen auch die an der Rissspitze konzentrierte Spannung, wodurch die für die Rissausbreitung erforderliche Energie abgeführt und die Thermoschockbeständigkeit des Materials verbessert wird.
Verschleißfestigkeit
An Proben mit unterschiedlichen Bindemitteln wurden nach dem Sintern bei 1000 Grad Abriebtests durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die mit Aluminatzement-gebundenen und mit Alumino-Kieselgelpulver-gebundenen Proben weniger Verschleiß aufwiesen, wobei die mit Aluminatzement-gebundene Probe mit 3,75 cm³ den geringsten Verschleiß aufwies und die mit kolloidaler Kieselsäure-gebundene Probe mit 7,58 cm³ den höchsten Verschleiß aufwies. Bei heterogenen feuerfesten Materialien, die aus Zuschlagstoffen und Matrix bestehen, wird durch Erosionsverschleiß typischerweise zunächst die Matrix entfernt, wobei hervorstehende, isolierte inselartige Partikel als primäres Verschleißziel zurückbleiben. Diese Partikel fallen dann ab, bilden Risse und schädigen die umgebende Matrix weiter. Die mit Aluminatzement-gebundenen Proben wiesen eine höhere Dichte auf und bildeten Si-O-Al-Bindungen zwischen dem SiO₂-Pulver und dem Zementhydrat, was zu einer festen Matrixbindung und einer besseren Verschleißfestigkeit führte. In den mit Alumino-Kieselgelpulver-verbundenen Proben reagierte Nano-Al₂O₃ mit SiO₂ unter Bildung einer Mullitmatrix, wodurch die Verschleißfestigkeit erhöht wurde. Die mit kolloidaler Kieselsäure-gebundenen Proben wiesen zahlreiche Mikrorisse in der Matrix auf, wodurch sie weniger widerstandsfähig gegen Erosionsverschleiß waren.
Mikrostrukturanalyse
Nach der Wärmebehandlung bei 1000 Grad zeigten die mit Calciumaluminatzement-gebundenen Proben die dichteste Bindung zwischen Matrix und Zuschlagstoff, was zu ihrer höheren Dichte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit beitrug. Darüber hinaus enthielt die Matrix zahlreiche Mikrorisse, was zu einer konzentrierten Porengrößenverteilung und einer hervorragenden Thermoschockbeständigkeit führte. Die mit Kieselsäuresol-gebundenen Proben wiesen zahlreiche Hohlräume und Mikrorisse auf, was zu ihrer hohen scheinbaren Porosität, breiten Porengrößenverteilung und schlechten Verschleißfestigkeit beitrug. Darüber hinaus trug das Vorhandensein einer großen Siliciumdioxid--Sauerstoffnetzwerkstruktur zu ihrer hohen Biegefestigkeit bei hohen Temperaturen und ihrer hervorragenden Temperaturwechselbeständigkeit bei. Die mit Aluminiumoxid-Kieselgelpulver-gebundenen Proben zeigten eine bessere Bindung zwischen Aggregat und Matrix mit einem großen säulenförmigen Mullitnetzwerk in der Matrix, was zu überlegenen mechanischen Eigenschaften und Verschleißfestigkeit führte.
