CN104390874B - 耐火材料的半热态抗热震性实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及耐火材料的半热态抗热震性实验装置及其方法，该装置包括：抗折实验仪用于测定实验试样的常温抗折强度及高温抗折强度；热震炉用于对实验试样进行加热；风机用于对加热后实验试样进行冷却；测温仪用于检测冷却后的实验试样的表面温度。该方法包括：制备实验试样；获得第一常温抗折强度P_c；获得高温抗折强度P_g；将实验试样加热及冷却；通过测温仪检测表面温度达到设定值后停止冷却；依次交替进行加热过程及冷却过程达到设定次数；获得第二常温抗折强度P_r；通过强度损失公式计算出强度损失率。本发明提供的实验装置及其方法能准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况，量化了耐火材料的半热态抗热震性。

Description

耐火材料的半热态抗热震性实验方法

技术领域

本发明涉及耐火材料技术领域，特别涉及耐火材料的半热态抗热震性实验装置及其方法。

背景技术

干熄焦的主要设备干熄炉砌体属于竖窑式结构，正压状态的圆筒形直立砌体，整个干熄炉外表被铁壳包围，内层采用不同的耐火砖砌筑而成，炉体自上而下，可分为预存室、斜道区和冷却室。斜道区的耐火材料(俗称牛腿砖)不仅受到焦炭向下流动时的冲击力，还受到向上的循环气体夹带焦粉的冲刷。而且，焦炭、循环气体以及耐火材料的温度沿斜道高度连续变化，特别是斜道区下部的温度在300～700℃之间变化，会产生很大的热应力，当热应力大于耐火材料的内部结合强度时，就会对耐火材料造成损坏，这种损坏的表现形式主要以开裂和剥落为主。

斜道区耐火材料的抗热震性成为衡量其使用性能的最重要指标，抗热震性是指耐火材料抵抗温度急剧变化而不损坏的能力，是耐火材料力学性能和热学性能在温度变化条件下的综合表现。

现有技术中耐火材料的抗热震性实验方法包括：水急冷法、空气急冷法及水急冷—裂纹判定法。但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

1、水急冷法需要把试样和水接触并冷却到水温20℃左右，和干熄炉斜道区用耐火材料的工作环境相差较大，由于水的作用或热震次数少而难以判定抗热震性优劣，所以该方法不适用。

2、空气急冷法中试样在950℃下加热时间为30min，此时试样的内外 温度保持一致，此时试样内部没有温度梯度，产生不了内部热应力，这和干熄炉斜道区用耐火材料的工作环境特别是烘烤时所受到的快速温度变化的环境不相符合，难以判定抗热震性优劣，所以该方法不适用。

3、水急冷—裂纹判定法是以试样的断裂、破裂或30次循环后仍未损坏作为实验的结束，这无法较为准确的还原干熄炉斜道区用耐火材料在经受若干次急冷急热后所损失的强度，不能准确评价干熄炉斜道区用耐火材料抗热震性能。

发明内容

本申请实施例通过提供耐火材料的半热态抗热震性实验装置及其方法，解决了现有技术中抗热震性实验无法准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况，不能准确评价干熄炉斜道区用耐火材料抗热震性能，实现了准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况，准确还原干熄炉斜道区用耐火材料在经受若干次急冷急热后所损失的抗折强度，并用量化了耐火材料的半热态抗热震性。

本申请实施例提供了一种耐火材料的半热态抗热震性实验装置，用于检测实验试样，所述实验装置包括：

抗折实验仪，用于测定所述实验试样的常温抗折强度及高温抗折强度；

热震炉，用于对所述实验试样进行加热；

风机，用于对加热后所述实验试样进行冷却；

测温仪，用于检测冷却后的所述实验试样的表面温度；

其中，通过将所述实验试样反复经过所述热震炉加热过程及所述风机冷却过程后完成热震实验；将完成所述热震实验后的所述实验试样置于所述抗折实验仪中测试所述常温抗折强度。

作为优选，所述常温抗折强度包括：第一常温抗折强度及第二常温抗折强度；

所述实验试样，呈长方体结构，由所述耐火材料按照设定尺寸制成，包括：

第一实验试样组，置于所述抗折实验仪中在室温环境下测试所述第一常温抗折强度；

第二实验试样组，置于所述抗折实验仪中在高温环境下测试所述高温抗折强度；

第三实验试样组，经过所述热震实验后，置于所述抗折实验仪中在室温环境下测试所述第二常温抗折强度；

其中，所述第二常温抗折强度与所述第一常温抗折强度及高温抗折强度能通过强度损失公式分别计算出第一强度损失率及第二强度损失率；所述第一强度损失率及第二强度损失率是所述耐火材料热震性的参数指标。

作为优选，所述测温仪为激光温度仪；

所述风机对加热后的所述第三实验试样组进行冷却，当所述激光温度仪检测到所述第三实验试样组的表面温度达到设定值时，停止冷却。

作为优选，所述强度损失公式为：

μ_c＝(P_c-P_r)/P_c·100％；

μ_g＝(P_g-P_r)/P_g·100％；

其中，P_r为第二常温抗折强度；P_c为第一常温抗折强度；P_g为高温抗折强度；μ_c为第一强度损失率；μ_g为第二强度损失率。

本申请实施例还提供了一种耐火材料的半热态抗热震性实验方法，包括以下步骤：

制备所述第一实验试样组、第二实验试样组及第三实验试样组；

将所述第一实验试样组置于所述抗折实验仪中，在室温环境下测试获得所述第一常温抗折强度P_c；

将所述第二实验试样组置于所述抗折实验仪中，在高温环境下测试获 得所述高温抗折强度P_g；其中，所述高温控制在700～1000℃；

将所述第三实验试样组置于所述热震炉中，进行加热；所述加热温度控制在300～700℃；所述加热时间控制在2～7min；

通过所述风机对加热后的所述第三实验试样组进行冷却；所述风机的风速控制在2～10m/s；

通过所述测温仪检测所述第三实验试样组的表面温度；当所述表面温度达到设定值后停止冷却；

依次交替进行所述加热过程及冷却过程达到设定次数，完成所述热震实验；

将完成所述热震实验后的所述第三实验试样组置于所述抗折实验仪中，在室温环境下测试获得所述第二常温抗折强度P_r；

通过所述强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g；其中，所述第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g是所述耐火材料热震性的参数指标。

作为优选，将所述第二实验试样组置于所述抗折实验仪中，在高温环境下测试获得所述高温抗折强度P_g；其中，所述高温控制为1000℃；

将所述第三实验试样组置于所述热震炉中，进行加热；所述加热温度控制为所述耐火材料在干熄炉工况下的使用温度；所述加热时间控制在5min；

通过所述风机对加热后的所述第三实验试样组进行冷却；所述风机的风速控制在6m/s；

通过所述测温仪检测所述第三实验试样组的表面温度；当所述表面温度达到300℃后停止冷却；

依次进行所述加热过程及冷却过程的交替次数达到干熄炉升温过程中斜道区中所述耐火材料的实际热震次数，进而完成所述热震实验；

这样，通过参数控制的所述热震实验能准确的模拟出所述耐火材料在所述干熄炉中的使用工况。

本申请实施例提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、由于采用了热震炉和风机依次交替对第三实验试样组进行加热和冷却，所以有效解决了现有热震实验无法准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况，进而实现了准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况，准确还原干熄炉斜道区用耐火材料在经受若干次急冷急热后所损失的抗折强度。

2、由于采用了将加热过程及冷却过程的交替次数控制为干熄炉升温过程中斜道区耐火材料的实际热震次数，所以有效解决了现有热震实验中次数固定而无法反应耐火材料经过实际热震次数后的抗热震性变化的问题，进而实现了能准确反应干熄炉斜道区中耐火材料经过实际热震次数后的抗热震性。

3、由于采用了强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g，通过μ_c及μ_g的大小表征干熄炉斜道区用耐火材料的抗热震性的优劣，所以有效解决了现有热震实验无法量化评价耐火材料的伴热态抗热震性的问题，进而准确获得了干熄炉斜道区耐火材料半热态抗热震性的量化参数指标。

附图说明

图1为本申请实施例提供的耐火材料的半热态抗热震性实验方法的流程简图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供耐火材料的半热态抗热震性实验装置及方法，解决了现有技术中无法准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况、无法反应干熄炉斜道区中耐火材料经过实际热震次数后的抗热震性变化及无法量化评价耐火材料的伴热态抗热震性的问题，运用该半热态抗热震性实验装置中的热震炉和风机依次交替对第三实验试样组进行加热和冷却，实现了准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况；将加热过程及冷却过程的交替次数控制为干熄炉升温过程中斜道区耐火材料的实际热震次数，实现了准确反应干熄炉斜道区中耐火材料经过实际热震次数后的抗热震性；采用了强度损失公式实现了对干熄炉斜道区耐火材料半热态抗热震性的量化评价。

参见附图1，本申请实施例提供了一种耐火材料的半热态抗热震性实验装置，用于检测实验试样，该实验装置包括：抗折实验仪、热震炉、风机及测温仪。其中，实验试样呈长方体结构，由耐火材料按照设定尺寸制成，作为一种优选的实施例，实验试样为干熄炉斜道区用耐火材料新砖切制为尺寸为40×40×160mm的抗折试样，一方面该尺寸方便加工，另一方面能很好的适应抗折实验仪。抗折实验仪用于测定实验试样的常温抗折强度及高温抗折强度。热震炉用于对实验试样进行加热。风机用于对加热后的实验试样进行冷却。测温仪用于检测冷却后的实验试样的表面温度。其中，通过将实验试样反复经过热震炉加热过程及风机冷却过程后完成热震实验，将完成热震实验后的实验试样置于抗折实验仪中测试常温抗折强度。该实验装置结构简单，操作简便，成本低廉。

作为优选，常温抗折强度包括：第一常温抗折强度P_c及第二常温抗折强度P_r；实验试样包括：第一实验试样组、第二实验试样组及第三实验试样组。第一实验试样组置于抗折实验仪中在室温环境下测试第一常温抗折强度P_c。第二实验试样组置于抗折实验仪中在高温环境下测试高温抗折强 度P_g。第三实验试样组经过热震实验后，置于抗折实验仪中在室温环境下测试第二常温抗折强度P_r。其中，第二常温抗折强度P_r与第一常温抗折强度P_c及高温抗折强度P_g能通过强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g，第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g是耐火材料热震性的参数指标。

作为优选，测温仪为激光温度仪；风机对加热后的第三实验试样组进行冷却，当激光温度仪检测到第三实验试样组的表面温度达到设定值时，停止冷却。

作为优选，强度损失公式为：

μ_c＝(P_c-P_r)/P_c·100％；

μ_g＝(P_g-P_r)/P_g·100％；

其中，P_r为第二常温抗折强度；P_c为第一常温抗折强度；P_g为高温抗折强度；μ_c为第一强度损失率；μ_g为第二强度损失率。

本申请实施例还提供了一种耐火材料的半热态抗热震性实验方法，包括以下步骤：

S1：制备第一实验试样组、第二实验试样组及第三实验试样组。

S2：将第一实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得所述第一常温抗折强度P_c。

S3：将第二实验试样组置于抗折实验仪中，在高温环境下测试获得高温抗折强度P_g，其中，高温控制在700～1000℃，作为一种优选的实施例，高温控制为1000℃。

S4：将第三实验试样组置于热震炉中，进行加热，加热温度控制在300～700℃，加热时间控制在2～7min；作为一种优选的实施例，加热温度控制为耐火材料在干熄炉工况下的使用温度，加热时间控制在5min，此时 间为仿真计算所得，能保证干熄炉斜道区用耐火材料试样的表面温度和中心温度差最高，使试样处于“半加热”状态。

S5：通过风机对加热后的第三实验试样组进行冷却；风机的风速控制在2～10m/s，作为一种优选的实施例，风机的风速控制在6m/s。

S6：通过测温仪检测第三实验试样组的表面温度；当表面温度达到设定值后停止冷却；作为一种优选的实施例，表面温度达到300℃后停止冷却，此温度为干熄炉斜道区用耐火材料使用过程中表面温度频繁波动的下限。

S7：依次交替进行加热过程及冷却过程达到设定次数，完成热震实验；准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况，准确还原干熄炉斜道区用耐火材料在经受若干次急冷急热后所损失的抗折强度。同时交替次数控制为干熄炉升温过程中斜道区耐火材料的实际热震次数，能准确反应干熄炉斜道区中耐火材料经过实际热震次数后的抗热震性。作为一种优选的实施例，进行加热过程及冷却过程的交替次数达到干熄炉升温过程中斜道区耐火材料的实际热震次数。

S8：将完成热震实验后的第三实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得第二常温抗折强度P_r。

S9：通过强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g；其中，第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g是耐火材料热震性的参数指标，能准确量化评价干熄炉斜道区耐火材料半热态抗热震性。

其中，将步骤S3中的高温控制为1000℃，步骤S4中的加热温度控制为耐火材料在干熄炉工况下的使用温度，加热时间控制在5min，步骤S5中风机的风速控制在6m/s，步骤S6中的表面温度达到300℃后停止冷却，步骤S7的依次进行加热过程及冷却过程的交替次数达到干熄炉升温过程中斜道区耐火材料的实际热震次数。这样，通过上述参数控制能准确的模 拟出耐火材料在干熄炉斜道区中的使用工况。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明：

实施例1

S1：用干熄炉斜道区用牛腿砖新砖切制9块尺寸为40×40×160mm的抗折试样，其中3块为第一实验试样组、3块为第二实验试样组，3块为第三实验试样组。

S2：将第一实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得3块抗折试样的第一常温抗折强度的平均值P_c＝10Mpa。

S3：将第二实验试样组置于抗折实验仪中，在高温环境下测试获得3块抗折试样的高温抗折强度的平均值P_g＝10.6Mpa，其中，高温控制在1000℃。

S4：将第三实验试样组置于热震炉中，进行加热，加热温度控制在300℃，加热时间控制在2min。

S5：通过风机对加热后的第三实验试样组进行冷却；风机的风速控制在2m/s。

S6：通过测温仪检测第三实验试样组的表面温度；当表面温度达到300℃后停止冷却。

S7：依次交替进行加热过程及冷却过程达到10次，完成热震实验。

S8：将完成热震实验后的第三实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得3块抗折试样的第二常温抗折强度P_r分别为10.06Mpa、9.95Mpa及9.96Mpa，取平均值确定第二常温抗折强度P_r＝9.99Mpa。

S9：通过强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c＝0.1％及第二强度损失率μ_g＝5.7％。

实施例2

S1：用干熄炉斜道区用牛腿砖新砖切制9块尺寸为40×40×160mm的抗折试样，其中3块为第一实验试样组、3块为第二实验试样组，3块为第三实验试样组。

S2：将第一实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得3块抗折试样的第一常温抗折强度的平均值P_c＝10Mpa。

S3：将第二实验试样组置于抗折实验仪中，在高温环境下测试获得3块抗折试样的高温抗折强度的平均值P_g＝10.6Mpa，其中，高温控制在1000℃。

S4：将第三实验试样组置于热震炉中，进行加热，加热温度控制在500℃，加热时间控制在5min。

S5：通过风机对加热后的第三实验试样组进行冷却；风机的风速控制在6m/s。

S6：通过测温仪检测第三实验试样组的表面温度；当表面温度达到300℃后停止冷却。

S7：依次交替进行加热过程及冷却过程达到20次，完成热震实验。

S8：将完成热震实验后的第三实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得3块抗折试样的第二常温抗折强度P_r分别为9.01Mpa、9.23Mpa及8.82Mpa，取平均值确定第二常温抗折强度P_r＝9.02Mpa。

S9：通过强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c＝9.8％及第二强度损失率μ_g＝14.9％。

实施例3

S1：用干熄炉斜道区用牛腿砖新砖切制9块尺寸为40×40×160mm的抗折试样，其中3块为第一实验试样组、3块为第二实验试样组，3块为第三实验试样组。

S2：将第一实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得3 块抗折试样的第一常温抗折强度的平均值P_c＝10Mpa。

S3：将第二实验试样组置于抗折实验仪中，在高温环境下测试获得3块抗折试样的高温抗折强度的平均值P_g＝10.6Mpa，其中，高温控制在1000℃。

S4：将第三实验试样组置于热震炉中，进行加热，加热温度控制在700℃，加热时间控制在5min。

S5：通过风机对加热后的第三实验试样组进行冷却；风机的风速控制在10m/s。

S6：通过测温仪检测第三实验试样组的表面温度；当表面温度达到300℃后停止冷却。

S7：依次交替进行加热过程及冷却过程达到40次，完成热震实验。

S8：将完成热震实验后的第三实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得3块抗折试样的第二常温抗折强度P_r分别为8.53Mpa、8.07Mpa及8.30Mpa，取平均值确定第二常温抗折强度P_r＝8.30Mpa。

S9：通过强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c＝17％及第二强度损失率μ_g＝21.7％。

实施例1～3说明，随着热震实验次数的增加，干熄炉斜道区用耐火材料试样的抗折强度在逐渐降低，反映出耐火材料的热震性随着热震次数的增加逐渐降低，当热震次数达到40次时，常温和高温抗折的损失率达到了17％和21.7％，即经过热震试验的试样抗折强度只有原砖抗折强度的83％和78.3％。结果规律性强，且与实际应用的干熄焦炉斜烟道区用耐火材料的损毁状态一致，说明了本申请实施例提供的方法的有效性。

本申请实施例提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、由于采用了热震炉和风机依次交替对第三实验试样组进行加热和冷却，所以有效解决了现有热震实验无法准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况，进而实现了准确模拟干熄炉斜道区耐火材料的使用工况，准确还原干熄炉斜道区用耐火材料在经受若干次急冷急热后所损失的抗折强度。

2、由于采用了将所述加热过程及冷却过程的交替次数控制为干熄炉升温过程中斜道区耐火材料的实际热震次数，所以有效解决了现有热震实验中次数固定而无法反应耐火材料经过实际热震次数后的抗热震性变化的问题，进而实现了能准确反应干熄炉斜道区中耐火材料经过实际热震次数后的抗热震性。

3、由于采用了强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g，通过μ_c及μ_g的大小表征干熄炉斜道区用耐火材料的抗热震性的优劣，所以有效解决了现有热震实验无法量化评价耐火材料的伴热态抗热震性的问题，进而准确获得了干熄炉斜道区耐火材料半热态抗热震性的量化参数指标。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种耐火材料的半热态抗热震性实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备第一实验试样组、第二实验试样组及第三实验试样组；

将所述第一实验试样组置于抗折实验仪中，在室温环境下测试获得第一常温抗折强度P_c；

将所述第二实验试样组置于所述抗折实验仪中，在高温环境下测试获得高温抗折强度P_g；其中，所述高温控制在700～1000℃；

将所述第三实验试样组置于热震炉中，进行加热；所述加热温度控制在300～700℃；所述加热时间控制在2～7min；

通过风机对加热后的所述第三实验试样组进行冷却；所述风机的风速控制在2～10m/s；

通过测温仪检测所述第三实验试样组的表面温度；当所述表面温度达到设定值后停止冷却；

依次交替进行所述加热过程及冷却过程达到设定次数，完成热震实验；

将完成所述热震实验后的所述第三实验试样组置于所述抗折实验仪中，在室温环境下测试获得第二常温抗折强度P_r；

通过强度损失公式分别计算出第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g；其中，所述强度损失公式为：

μ_c＝(P_c-P_r)/P_c·100％；

μ_g＝(P_g-P_r)/P_g·100％；

其中，P_r为第二常温抗折强度；P_c为第一常温抗折强度；P_g为高温抗折强度；所述第一强度损失率μ_c及第二强度损失率μ_g是所述耐火材料热震性的参数指标。

2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：

将所述第二实验试样组置于所述抗折实验仪中，在高温环境下测试获得所述高温抗折强度P_g；其中，所述高温控制为1000℃；

将所述第三实验试样组置于所述热震炉中，进行加热；所述加热温度控制为所述耐火材料在干熄炉工况下的使用温度；所述加热时间控制在5min；

通过所述风机对加热后的所述第三实验试样组进行冷却；所述风机的风速控制在6m/s；

通过所述测温仪检测所述第三实验试样组的表面温度；当所述表面温度达到300℃后停止冷却；

依次交替进行所述加热过程及冷却过程达到干熄炉升温过程中斜道区中所述耐火材料的实际热震次数，进而完成所述热震实验；

这样，通过参数控制的所述热震实验能准确的模拟出所述耐火材料在所述干熄炉中的使用工况。