Analiza poškodb ognjevzdržnih materialov v stebrih žlebov koksarne s suhim gašenjem kaže, da je izboljšanje upogibne trdnosti in odpornosti proti toplotnim udarcem ognjevzdržnih materialov učinkovit način za podaljšanje njihove življenjske dobe. Uvedba jeklenih vlaken v ulitke iz mulita iz silicijevega karbida zagotavlja ojačitev in žilavost ter s tem podaljša njihovo življenjsko dobo. Vrsta veziva je ključnega pomena za konstrukcijo in učinkovitost ognjevzdržnih ulitkov. Ta članek preučuje učinke treh veziv-čistega kalcijevega aluminatnega cementa (Secar 71), silicijevega sola in alumino-silikagelnega prahu-na strukturo in lastnosti ulitkov za določitev ustreznega veziva.
Splošne fizikalne lastnosti
Po sušenju pri 110 stopinjah in toplotni obdelavi pri 1000 stopinjah je imel vzorec,-vezan s kalcijevim aluminatnim cementom, najmanjšo navidezno poroznost in največjo nasipno gostoto, kar kaže, da je cement-vezanodlitki iz silicijevega karbidaima najboljše pretočne lastnosti, kar olajša oblikovanje vzorcev. Vzorec, vezan s kalcijevim aluminatnim-cementom, je pri 850 stopinjah občutno dehidriral, kar je povzročilo povečano navidezno poroznost in zmanjšano nasipno gostoto. Po toplotni obdelavi pri 1000 stopinjah se je vzorec sintral in skrčil, kar je povečalo njegovo gostoto.
Upogibna trdnost in tlačna trdnost pri sobni- temperaturi vzorcev z različnimi vezivi sta naraščali z naraščanjem temperature toplotne obdelave. Po sušenju pri 110 stopinjah je imel vzorec, vezan s kalcijevim aluminatnim cementom, najvišjo upogibno trdnost pri 7,5 MPa, medtem ko je imel vzorec, vezan s prahom aluminijevega -silikagela, najmanjšo trdnost. To pomeni, da se kemična reakcija med cementom in vodo strdi in utrjuje, kar ima za posledico najvišjo trdnost, kar najbolj prispeva k varnosti konstrukcije ognjevzdržnih betonov. Po toplotni obdelavi pri 850 stopinjah se upogibna trdnost vzorcev s tremi vezivi pri sobni-temperaturi ni bistveno razlikovala. Vzorec, vezan s kalcijevim aluminatnim cementom, je imel najvišjo tlačno trdnost pri sobni-temperaturi, 53,6 MPa. Po toplotni obdelavi pri 1000 stopinjah je imel vzorec, vezan s kalcijevim aluminatnim cementom, najvišjo upogibno trdnost pri sobni-temperaturi pri 14,3 MPa, medtem ko je imel vzorec, vezan s prahom aluminijevega-silikagela v prahu, najvišjo tlačno trdnost pri sobni-temperaturi pri 70,2 MPa. To kaže, da imajo faze kalcijevega monoaluminata (CA), kalcijevega dialuminata (CA2) in kalcijevega dodekaluminata (C12A7), proizvedene s hidratacijo kalcijevega aluminatnega cementa, visoko vezno trdnost. Nano-Al2O3 in SiO2 v prahu alumino-silikagela reagirata in tvorita mulitno vezno fazo, ki lahko poveča trdnost ulitka iz silicijevega karbida.
Porazdelitev velikosti por
Po toplotni obdelavi pri 1000 stopinjah je bila povprečna velikost por vzorcev, povezanih s kalcijevim aluminatnim cementom (skupina A), 0,23 μm, s srednjim premerom 0,74 μm. Porazdelitev velikosti por je bila najbolj koncentrirana (0,01 μm do 2 μm). Vzorci, vezani s silicijevim solom (skupina B), so imeli najmanjšo povprečno velikost por, 0,13 μm, s srednjim premerom 0,40 μm in širšo porazdelitev velikosti por (0,01 μm do 4 μm). Vzorci, vezani z alumino-silikagelnim prahom (skupina C), so imeli največjo povprečno velikost por, 0,28 μm, s srednjim premerom 0,77 μm. Porazdelitev velikosti por je bila od 0,01 μm do 6 μm, vendar je bila porazdelitev velikosti por koncentrirana v območju od 0,01 do 1 μm.
Visoko{0}}temperaturna upogibna trdnost
Vzorec, vezan-s silicijevim dioksidom, je imel najvišjo-upogibno trdnost pri visokih temperaturah pri 13,7 MPa. Vzorci, povezani s-cementom in-aluminijevim-silikagelom-v prahu, so imeli nižjo-upogibno trdnost pri visokih temperaturah, pri 7,8 MPa oziroma 8,3 MPa. To je zato, ker nano-SiO2 v silicijevem solu tvori mrežo silicijevega-kisika znotraj vzorca in je zelo reaktiven. Pri 1000 stopinjah zlahka reagira z aktivnim -Al2O3 mikroprahom, da tvori mrežo mulita, kar poveča trdnost vzorca. Prah alumini-silikagela vsebuje manj SiO2, zato mreža mulita, ki nastane v vzorcu pri 1000 stopinjah, ni tako močna kot tista v vzorcu, vezanem-s silicijevim dioksidom, kar ima za posledico nižjo visoko{24}}temperaturno upogibno trdnost. Kalcijev aluminatni cement vsebuje določeno količino CaO, ki pri visokih temperaturah zlahka reagira s SiO2 in Al2O3 v materialu, da tvori faze z nizkim -tališčem-, kot sta 3CaO×Al2O3 in 2CaO×Al2O3×SiO2. Te faze nato pri visokih temperaturah postanejo tekoče, kar zmanjša upogibno trdnost vzorca pri visokih-temperaturah.
Stabilnost na toplotni udar
Vzorec, vezan na silicijev dioksid, je pokazal največjo preostalo upogibno trdnost pri 7,8 MPa. Najnižjo preostalo upogibno trdnost je imel vzorec, vezan s prahom aluminijevega -silikagela, 5,3 MPa. Vzorec, vezan s kalcijevim aluminatnim cementom, je pokazal visoko preostalo upogibno trdnost in ohranitev upogibne trdnosti. Vrhunska odpornost na toplotne udarce vzorcev, povezanih s kalcijevim aluminatnim-cementom, in silicijevega-sola, je lahko posledica njihove koncentrirane porazdelitve velikosti por oziroma strukture silicijeve-kisikove mreže. Znotraj heterogenih večfaznih ognjevzdržnih materialov razlike v koeficientih toplotnega raztezanja med fazami povzročajo nastanek številnih mikrorazpok v ulitkih iz silicijevega karbida med neusklajenostjo toplotnega raztezanja. Te mikrorazpoke ne samo absorbirajo energijo elastične deformacije, kar zmanjša gonilno silo za rast primarne razpoke, ampak tudi razpršijo napetost, koncentrirano na konici razpoke, razpršijo energijo, potrebno za širjenje razpoke, in izboljšajo odpornost materiala na toplotne udarce.
Odpornost proti obrabi
Preskusi obrabe so bili izvedeni na vzorcih z različnimi vezivi po sintranju pri 1000 stopinjah. Rezultati so pokazali, da so vzorci, povezani z-aluminatnim cementom in-silikagelom v prahu-, pokazali manjšo obrabo, pri čemer je vzorec, vezan-aluminatnim cementom, pokazal najmanjšo obrabo, in sicer 3,75 cm³, vzorec, vezan s koloidnim-silicijevim dioksidom, pa je imel največjo obrabo, in sicer 7,58 cm³. Pri heterogenih ognjevzdržnih materialih, ki so sestavljeni iz agregata in matrice, obraba zaradi erozije običajno najprej odstrani matriko, pri čemer ostanejo štrleči, izolirani otoki-podobni delci kot primarni cilj obrabe. Ti delci nato odpadejo, tvorijo razpoke in dodatno poškodujejo okoliško matrico. Vzorci, povezani z aluminatnim cementom-, so pokazali višjo gostoto in so tvorili vezi Si-O-Al med prahom SiO₂ in cementnim hidratom, kar je povzročilo tesno matrično vez in boljšo odpornost proti obrabi. V vzorcih, povezanih z alumino-silikagelnim prahom-, je nano-Al₂O₃ reagiral s SiO₂, da je nastal mulitni matriks, kar je povečalo odpornost proti obrabi. Vzorci, vezani s -koloidnim silicijevim dioksidom, so pokazali številne mikrorazpoke v matrici, zaradi česar so bili manj odporni proti obrabi zaradi erozije.
Mikrostrukturna analiza
Po toplotni obdelavi pri 1000 stopinjah so vzorci, povezani s kalcijevim aluminatnim-cementom, pokazali najtesnejšo vez med matrico in agregatom, kar je prispevalo k njihovi večji gostoti, trdnosti in odpornosti proti obrabi. Poleg tega je matrika vsebovala številne mikrorazpoke, kar je povzročilo koncentrirano porazdelitev velikosti por in odlično odpornost na toplotni udar. Vzorci, povezani s silicijevim sol-om, so pokazali številne praznine in mikrorazpoke, kar je prispevalo k njihovi visoki navidezni poroznosti, široki porazdelitvi velikosti por in slabi odpornosti proti obrabi. Poleg tega je prisotnost velike mreže silicijevega-kisika prispevala k njihovi visoki-upogibni trdnosti pri visokih temperaturah in odlični odpornosti na toplotne udarce. Vzorci, vezani na-silikagel prahu-aluminijevega oksida, so pokazali boljšo vez med agregatom in matrico, z veliko stebričasto mrežo mulita v matrici, kar ima za posledico vrhunske mehanske lastnosti in odpornost proti obrabi.
