Краткий анализ влияния пористости на огнеупорные бетоны 

Объемная плотность плотных формованных огнеупорных изделий должна определяться в соответствии с национальным стандартом GB/T 2997—2000. Объемная плотность формованных теплоизоляционных огнеупорных изделий должна определяться в соответствии с национальным стандартом GB/T 2998—2001. Объемная плотность плотных огнеупорных бетонов должна определяться в соответствии со стандартом YB/T 5200—1993.

Пористость является одним из основных технических показателей большинства огнеупорных материалов; она влияет практически на все свойства огнеупорных изделий, в особенности на прочность, теплопроводность, стойкость к эрозии и термоударную стойкость. Как правило, с увеличением пористости снижаются прочность, теплопроводность и стойкость к эрозии.

Огнеупорный бетонируемый материал представляет собой неформованный огнеупорный материал, получаемый путем смешивания гранулированных и порошкообразных огнеупорных материалов в определенном соотношении с добавлением определенного количества вяжущего и воды, а затем формования путем перемешивания и вибрационного заливания; он широко применяется в таких высокотемпературных отраслях, как металлургия, стекольная промышленность, цементная промышленность, нефтехимия и энергетика. В процессе формования, термообработки, а также на этапах обезвоживания и спекания в огнеупорных заливных смесях неизбежно образуются поры. Согласно статистическим данным, в плотных огнеупорных заливных смесях матрица занимает 25 % от общего объёма смеси, а поры — около 10 % от общего объёма матрицы. Таким образом, поры являются важной составной частью микроструктуры матрицы. Параметры структуры пор включают в себя широкий спектр характеристик, таких как пористость, форма и распределение пор, размеры пор и распределение диаметров пор, объем пор и т. д., которые в значительной степени определяют механические и тепловые свойства огнеупорных бетонов. В данной статье в основном представлены результаты исследований, посвященных влиянию трех параметров структуры пор — пористости, размеров пор и распределения диаметров пор — на такие свойства огнеупорных бетонов, как прочность, теплопроводность, коэффициент теплового расширения, стойкость к воздействию шлака и взрывостойкость.

1.Влияние пористости и распределения размеров пор на прочность заливочных материалов

После термической обработки при высоких температурах связь между матрицей и наполнителем в заливочных материалах преобразуется из гидратационной или коагуляционной связи, обеспечиваемой ранее связующим веществом, в керамическую связь, образованную в результате спекания. Материалы керамической фазы, как правило, отличаются хрупкостью и высокой теоретической прочностью, однако из-за наличия в их структуре примесей, пор и других дефектов их фактическая прочность значительно ниже. Фактически, поры не только уменьшают площадь, воспринимающую нагрузку, но и вызывают концентрацию напряжений в прилегающих к ним областях, что снижает несущую способность материала.

Под размером пор в огнеупорных бетонах понимается номинальный диаметр пустот внутри бетона; как правило, этот показатель имеет среднее или эквивалентное значение и характеризуется такими параметрами, как максимальный размер пор, средний размер пор и распределение размеров пор. Распределение размеров пор является ещё одним важным параметром структуры пустот в бетоне, помимо пористости. Прочность огнеупорных бетонов зависит не только от пористости, но и от таких факторов, как размер и форма пор.

2.Влияние пористости на теплопроводность огнеупорных бетонов

Влияние пор в огнеупорных бетонах на теплопроводность является достаточно сложным явлением. Когда пористость невелика, размеры пор малы и они равномерно распределены в матрице бетона, поры можно рассматривать как дисперсную фазу в сплошной фазе бетона. Поэтому при не слишком высоких температурах теплопроводность λ по-прежнему можно рассчитывать по формуле для теплопроводности многофазных материалов, предложенной У. Д. Кингери:

Соответствующие литературные источники также подтверждают, что теплопроводность высокоглиноземистых огнеупорных материалов снижается в экспоненциальной зависимости с увеличением общей пористости или видимой пористости. Это также лежит в основе принципа теплоизоляции легких теплоизоляционных бетонов, изделий из силикатного волокна и легких керамических изделий с полыми шариками.

3.Влияние пористости на коэффициент теплового расширения огнеупорных бетонов

Тепловое расширение твердых материалов по сути сводится к явлению увеличения среднего расстояния между частицами в решетчатой структуре при повышении температуры. Поскольку силы взаимодействия между соседними частицами при колебаниях кристаллической решетки носят нелинейный характер, силы, действующие на частицы по обе стороны от их равновесного положения, несимметричны. Чем выше температура, тем более выраженной становится асимметрия сил, действующих на частицы, и тем больше увеличивается среднее расстояние между соседними частицами, что приводит к увеличению параметров элементарной ячейки и расширению кристалла. Поскольку после термической обработки огнеупорные бетоны приобретают керамическую структуру, теория теплового расширения твердых тел в равной степени применима и к ним. Существует множество факторов, влияющих на коэффициент теплового расширения материала, таких как химический и минералогический состав самого материала, кристаллическая структура и фазовые переходы, прочность связей, микронапряжения, температура окружающей среды, плотность внутренней структуры и т. д., однако данных о взаимосвязи между этим коэффициентом и пористостью опубликовано не так много. Имеющиеся исследования показывают, что влияние пористости на тепловые расширительные свойства материала в значительной степени зависит от характера распределения пор в материале, а не от величины самой пористости.

4.Влияние пористости и размера пор на стойкость огнеупорных бетонов к воздействию шлака

Стойкость к воздействию шлака — это способность огнеупорного материала противостоять эрозии и размыванию расплавленным шлаком при высоких температурах, не подвергаясь разрушению; это важный показатель, характеризующий сопротивляемость материала химической эрозии и механическому износу. Эрозия бетонов шлаком проявляется в растворяющем воздействии на поверхность и проникновении во внутреннюю часть материала; при этом проникновение шлака в бетоны увеличивает площадь и глубину реакции, вызывает качественные изменения состава и структуры вблизи поверхности материала, образуя слой с высокой степенью растворимости, что приводит к ускорению разрушения. Поэтому при одинаковом составе огнеупорного бетона микроструктура его матрицы становится ключевым фактором, определяющим качество его стойкости к воздействию шлака. Пути проникновения шлака в огнеупорный материал включают: капиллярные каналы, границы кристаллов, сеть жидкофазных каналов, образованных примесями внутри материала, и кристаллическую решетку, причем проникновение по капиллярным каналам является наиболее значимым. Открытые поры в огнеупорном бетоне можно рассматривать как капилляры, служащие каналами для проникновения шлака.

Чем выше доля открытых пор в огнеупорном бетоне, тем быстрее происходит проникновение шлака; степень проникновения примерно пропорциональна доле открытых пор. В огнеупорном бетоне поры в матричной части составляют большую часть общего объема пор, поэтому матрица подвергается эрозии легче, чем заполнитель, в результате чего заполнитель обнажается, площадь реакции увеличивается, а заполнитель постепенно отрывается и вымывается, что ускоряет износ от плавления.

В то же время, даже при одинаковой пористости бетонов скорость эрозии может варьироваться в зависимости от размера пор. Проникновение шлака в щелочные огнеупорные материалы определяется вязким течением в капиллярах. Согласно формуле Хагена-Пуазейля, поры диаметром более 1 мкм способствуют проникновению шлака. Поэтому эффективным способом сдерживания проникновения шлака в матрицу огнеупорного материала является поддержание как можно более мелкого размера пор. Хэ Чжиюн и др., исследуя пути уменьшения проникновения шлака из литейного ковша в напыляемый материал, предложили при производстве напыляемого материала по возможности выбирать органические волокна с малым диаметром для повышения его проникновения, а также корректировать гранулометрический состав материала, не увеличивая его объемную плотность, с целью максимального уменьшения размера пор.

5.Влияние пористости и размера пор на взрывостойкость огнеупорных бетонов

На протяжении нескольких десятилетий процесс обжига огнеупорных бетонов остается актуальной проблемой в промышленном производстве. Основной причиной внезапного отслоения огнеупорного бетона во время обжига является кипение свободной воды при температуре 100 °C, в результате чего образуется газ под давлением, который не успевает выйти. Если структура бетона обладает низкой воздухопроницаемостью, скорость образования пара превышает скорость его выхода через поры; когда создаваемое давление превышает предельную прочность вяжущего, это приводит к механическому разрушению бетона. Таким образом, воздухопроницаемость является одним из основных параметров, влияющих на скорость сушки бетона и его склонность к растрескиванию в процессе нагрева.

Наиболее успешным способом повышения воздухопроницаемости огнеупорных бетонов всегда было добавление в их состав органических волокон, таких как полипропилен, полимерная глюкоза-целлюлоза и парарамин, которые образуют каналы при сгорании, обеспечивая более быстрый и короткий путь для выхода пара. Поскольку определить воздухопроницаемость огнеупорного бетона в процессе нагрева и обезвоживания весьма сложно, обычно в качестве ориентира используются экспериментальные данные, полученные при комнатной температуре. С целью получения модели механизма выделения водяного пара, более соответствующей реальным условиям, японские ученые провели испытания на растрескивание и сушку огнеупорных бетонов на основе оксида алюминия, глинозема и глины, а также провели микроскопический анализ механизма выделения водяного пара с использованием модели вихревых потоков. Они пришли к выводу, что в реальных огнеупорных бетонах крупные поры соединены между собой мелкими порами, как показано на модели на рисунке 2.

Заключение

Огнеупорные бетоны прошли путь от материалов, которые на этапе разработки использовались лишь в качестве ремонтных смесей для некоторых формованных печных футеровок, до современного широкого применения в качестве прямой замены формованных изделий в различных печах и печных установках; при этом их состав, система связки и методы укладки претерпели стремительные изменения. Однако все эти изменения отражают прогресс в области технологических процессов, в то время как исследования влияния микроструктуры матрицы, в особенности параметров структуры пор, на механические и тепловые свойства огнеупорных бетонов по-прежнему находятся на отсталой стадии, что конкретно проявляется в следующих двух аспектах:

(1) Исследования характеристик структуры пор после микродисперсификации матрицы являются недостаточными; в большинстве случаев они ограничиваются одним параметром — пористостью, а исследования по количественной характеристике других параметров структуры пор пока не проводились;

(2) Отсутствуют углубленные исследования влияния структуры пор матрицы на физические свойства огнеупорных бетонов; пока не проводились количественные исследования взаимосвязи параметров структуры пор матрицы с механическими и тепловыми свойствами бетонов. В дальнейшей работе необходимо с помощью методов количественной характеристики пористой структуры матрицы огнеупорных бетонов установить взаимосвязь между ней и тепловыми и механическими свойствами бетонов, определить степень чувствительности физических свойств материала к различным параметрам пористой структуры, что позволит получить более рациональное представление о роли и значении микродисперсизации микроструктуры матрицы в огнеупорных бетонах; с другой стороны, это может также обеспечить теоретическое обоснование для оптимизации конструкции матрицы огнеупорных бетонов, что имеет важное значение для содействия техническому прогрессу в этой области.