CN107271310A - 一种基于z向破损深度的抗热震性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，在试验机中设置的测量装置或量具，用于Z向破损深度z的测量，原始面积A₁的面积测量，表观破损面积A₂的测量，基于z值的破损面积A_（z）2的测量；计算表观损失率σ；z值表面损失率β_（z）；报告试样的表观抗热震性R_σ，z值抗热震性R_{﹛z，β（z）﹜}以及表观热震脆性G_σ、表观抗热震破损频度R_{（σ50～σ5）}和z值热震脆性G_{｛z，β（z）﹜}、z值抗热震破损频度R_{｛β（z）50～β（z）5﹜}。本发明克服了现有技术只能测出试样受热端面的平面破损表征、而不测试相应破损深度的方法缺陷。

Description

一种基于Z向破损深度的抗热震性试验方法

技术领域

本发明属于制品性能测试类，涉及测定耐火制品抗热震性试验方法，特别涉及一种基于Z向破损深度的抗热震性试验方法。

背景技术

抗热震性是指耐火制品对温度急剧变化所产生破损的抵抗性能。是耐火材料的力学性能和热学性能在温度变化条件下的综合表现，是其重要的物理性能和使用性能。

我国自上世纪50年代就开始制定耐火材料抗热震性的试验方法标准，数十年来经过多次修订，包括水急冷法、空气急冷法。GB/T30873-2014《耐火材料 抗热震性试验方法》包含4种试验方法，其中方法1（水急冷法-直形砖试样），是将长230㎜×114mm×65（75）mm的直形砖的114mm×65（75）mm试验面50mm端头在加热炉内迅速加热至1100±10℃，保温20min，再将其受热端迅速浸入（5～35）℃、流动的水中，使114mm×65（75）mm试验面浸入水中50mm，并应使流入和流出水槽水的温升不大于10℃，试样在水槽中急剧冷却3min后，再在空气中保持5min。此为，一次急热急冷循环过程，用5mm×5mm的方格网格测试试样端面试验前后端面破损率，如此这般，连续进行，直至达到预期的端面破损率，结束试验。

试样受热端面破损率的计算，用“方格网”直接测量试验前试样受热端面的方格数A₁和试验后未破损部分的方格数A₂，按下式计算试样受热端面破损率：

σ=（A₁-A₂）/A₁×100％

当σ=（50±5）％时，称试样受热端面破损一半。

在急冷过程中，试样受热端面破损一半时，该次急热急冷循环作为有效计算。当σ>55％时，该次无效。

试验报告为：每块试样的抗热震性次数。

现有技术的不足是：：

1、GB/T30873-2014，方法1（水急冷法-直形砖试样）试验结果的判定是用基于平面的“方格网”法，测量试样在各个阶段其受热端面破损部分的方格数及其百分比为依据，因此“方格网”在试验过程的测试设备组成链中，就是关键的测量器具。“方格网”是网孔尺寸5mm×5mm的金属网制成，测量时由人工目力计数孔格数。在临界处5mm×5mm网格内破损是不完整的，人工目力估计计数；同时测试时，试样潮热，需要熟练操作者，快速熟练的数格，并不测试破损面部分的破损深度 。

2、试样试验端面的破损，是基于内应力的作用自内而外的破坏。急热时，试样试验端在较低温度下突然进入1100℃的炉膛中，当表面高温向试样试验端面内部快速传递的时候，产生的热应力（或内应力）致使试样试验端内部裂纹扩展或热应力大于试样试验端局部结构强度而导致破损；试样急冷时，也有类似的现象。因制品的材质、制备工艺等的不同，由内而外的表面破损形状有很大的差异，有些是从试验端50mm处，有些不足50mm，全部脱落、有些是从边缘处块状或片状脱落、有些是从角部块状或片状脱落、有些是从114mm×65mm面内部块状或片状脱落，不到5mm×5mm，仅仅只有数平方毫米；更有些制品，仅仅表面薄薄的一层炸裂或脱落，有些是颗粒或基质成小块或片状脱落、┈┈。 显然，现有国家标准，未规定试验端破损深度的这个重要技术指标。因而，其端面破损仅仅是一个粗劣的泛泛的一个概念，检测人员依据个人的习惯和偏爱取舍，缺乏科学、严谨、公正性。

3、耐火制品在工业炉应用中，由于急热急冷炉体内部耐火材料的破损，脱落，其形状如同上述2。以块状，甚至大块脱落是致命的损坏，但，对于仅仅薄薄的表皮脱落，在一定的程度上，并不影响其使用。现行标准的判定方式，就存在了缺陷。

同样，YB/T 376.3—2004规定的长水口、浸入式水口、塞棒及定径水口在经受急热急冷的温度突变后，通过观察其表面是否出现裂纹来确定耐火制品的抗热震性。所述的“观察”依然是靠人工目力表面观察，肉眼看，就会有误差，费时费力。

现有标准的方法，完全依据“平面破损表征”，并不测试试样受热端面的破损深度，没有反映出破损深度与制品抗热震性的关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，以克服现有技术只能测出试样受热端面的平面破损表征、而不测试相应破损深度的方法缺陷。

本发明的目的可以采用以下技术方案来实现：

一种基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，在试验机中特别设置有试样试验端面破损深度的测量装置或量具，用于Z向破损深度z值的测量，同时在试验前进行试样试验端面XY向的原始面积A₁的面积测量，每次急热急冷循环后试样试验端面XY向的表观破损面面积A₂的面积测量；以σ =A₂/A₁×100%计算试样试验端面表观损失率σ；以具有一定Z向破损量z值的XY向平面的破损面积A_（z）2占其试验前原始XY向平面面积A₁的百分率β_（z）= A_（z）2 / A₁×100%计算试样试验端面基于z值的损失率β_（z）；以达到设定的σ数值的急热急冷循环次数R_σ表示材料的表观抗热震性，并以达到设定的z和β_（z）数值的急热急冷循环次数R_{﹛z，β（z）﹜}，表示材料的基于z值的抗热震性；试验报告中，包含基础数据：设定的σ、z和β_（z）数值和实际测试的急热急冷循环次数的表观抗热震性R_σ、基于z值的抗热震性R_{｛z，β（z）﹜}，以及由基础数据衍生的破损指数，这些衍生的破损指数用于判断耐火材料在高温窑炉中使用的破损预期及寿命。

所述的试样试验端面表观损失率σ，可分别设定为5%、10%、20%、30%、40%、50%等；

所述的Z向破损深度z值，可以设定为大于等于0、1㎜、2㎜、5㎜、10㎜、20㎜、30㎜、40㎜或50㎜等，可在未破损与破损交界1mm等的位置处测量，应在试验报告中注明；

所述的β_（z），可以分别设定为5%、10%、20%、30%、40%、50%等；

所述设置在试验机的试样试验端面破损深度测量装置或量具，可以是红外测距仪、激光测距仪、可见光测距仪、声波测距仪等非接触式的，也可以是接触式的深度计等；其测量分辨率优于5 mm，测量范围不小于10mm；

所述用于面积测量的工具，可以是非接触式的可读数光学设备，也可以是接触式的量具，其测量分辨率优于5 mm，测量范围不小于114mm×65mm；

所述的由基础数据衍生的破损指数，包括：表观热震脆性G_σ、表观抗热震破损频度R_{（σ50～σ5）}和z值热震脆性G_{｛z，β（z）﹜}、z值抗热震破损频度R_{｛β（z）50～β（z）5﹜}。

其表观热震脆性G_σ是指，将经过一次急热急冷循环R_σ=1次即破损时记为100，经过一百次急热急冷循环发生热震损坏R_σ=100次时记为1；在数值上，表观热震脆性G_σ等于表观抗热震性R_σ的倒数乘于100，即G_σ=1/R_σ×100；当σ ≥（50±5）%时，G₅₀为其抗热震性次数R₅₀的倒数×100，则G₅₀=1/R₅₀×100；其反映了耐火制品急热急冷易破坏的特性，其值越大则越容易破损。

z值热震脆性G_{｛z，β（z）﹜}是指，G_{｛z，β（z）﹜}=1/R_{｛z，β（z）﹜}×100；当z=5mm， β_（5） ≥（50±5）%时，G_（5，50）为其抗热震性次数R_（5，50）的倒数×100，则 G_（5，50）=1/R_（5，50）×100，其值越大，在温度急剧变化时其更易破裂；

表观抗热震频度 R_{（σ50～α5）}是指，从产生最终破损的表观破损率σ（如σ ≥ 50%）的急热急冷次数R_σ（如 R₅₀）与一个产生初始破损的表观破损率σ（如 σ = 5%）的急热急冷次数R_σ（如 R₅）的差值，即 R_{（σ50～05）}=R₅₀-R₅；也可以是其它，如R_{（σ40～σ5）}、R_{（σ50～σ20）}等。反映制品从产生初次破损到最终破损的剧烈程度；

z值抗热震频度R_{｛β（z）50～β（z）5﹜}是指，从一个β_（z）（如，z=5mm，β_（5）=50%）的急热急冷次数（如R_（5，50））与一个产生初始破损β_（z）（如，z=5mm，β_（5）=5%）的急热急冷次数R_（5，5）的差值，即R_{｛β（5）50～β（5）5﹜}=R_（5，50）- R_（5，5）；也可以是其它，如R_{｛β（5）40～β（5）5﹜}、 R_{｛β（5）50～β（5）20﹜}等。

本发明的优点：⑴本发明以特别设置有试样试验端面破损深度的测量装置或量具，用于Z向破损深度z值（单位：mm）的测量，可精准地给出试样受热端面的破损状况，特别是给出了破损点的破损深度，以表观破损率、z值破损率、表观抗热震性、z值抗热震性、表观热震脆性、z值热震脆性、表观抗热震频度、z值抗热震频度等，不仅描述了试样受热端面的表面破损表征，而且更深刻地反映出试样受热端面各点破损的深度、破坏率、破损频度，可以更精准地描述出试样试验端面破损深度与试样破损率的关系，更准确地提出耐火制品抗热震性的定义。提高了测试的准确性、测量精度和科学性。⑵对试样试验端面破损状况（面积与深度）自动读取、自动记录、损失率自动分析归档、自动打印报告，省时省力。

附图说明

附图1为一种耐火制品水急冷法抗热震性试验机组成的示意图。

图中：1、加热炉热电偶，2、急热加热炉，3、耐火炉衬，4、加热元件，5.1、水平状态试样（急热前、急热后），5.2、急热状态试样，5.3、 测试状态试样，5.4、急冷状态试样，6、炉门，7、夹持器，8、旋转机构，9、移动机构，10、移动机构驱动器，11、双目三维景深模组，12、双目三维模组支架与通讯电缆，13.1、互联网络接口，13.2、打印机，14.1、智能上位机，14.2、上电按钮，15、电控柜，16、主机架，17、冷却水入口，18、急冷水槽，19、冷却水出口，20、炉门升降驱动机构，21、夹持器旋转轴，22、急热加热炉炉膛。

具体实施方式

结合附图1，说明本发明的具体实施例。

一种基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其是在试验机中特别设置有试样试验端面破损深度的测量装置或量具，本实施例中在试验机的试样试验端面破损深度测量装置或量具，以及用于面积测量的工具，为双目三维景深模组，用于Z向破损深度z值（单位：mm）的测量，所述的z值，可以根据合同约定或试验需要分别设定为大于等于0、1、2、5、10、20、30、40或50等（单位：㎜），在未破损与破损交界1mm等的位置处测量；同时在试验前测试试样试验端面XY向的原始面积A₁（单位：mm²），每次急热急冷循环后，自动测试试样试验端面XY向的表观破损面面积A₂（单位：mm²）；以σ =A₂/A₁×100%计算试样试验端面表观损失率σ（单位：%）,所述的σ，可以根据合同约定或试验需要分别设定为5、10、20、30、40、50或其他（单位：％）；以具有一定Z向破损量值z值（本实例取值为5mm）的XY向平面的破损面积A_（z）2占其试验前原始XY向平面面积A₁的百分率β_（z）= A_（z）2 / A₁×100%计算试样试验端面基于z值的损失率β_（z）（单位：% ），所述的β_（z），可以根据合同约定或试验需要分别设定为5、10、20、30、40、50或其他（单位：％）；以达到设定的σ数值的急热急冷循环次数R_σ（单位：次）表示材料的表观抗热震性，并以达到设定的z和β_（z）数值的急热急冷循环次数R_{﹛z，β（z）﹜}（单位：次），表示材料的基于z值的抗热震性；试验报告中，包含基础数据：设定的σ、z和β_（z）数值和实际测试的急热急冷循环次数的表观抗热震性R_σ（单位：次）、基于z值的抗热震性R_{｛z，β（z）﹜}（单位：次），以及由基础数据衍生的破损指数，这些衍生的破损指数有益于判断耐火材料在高温窑炉中使用的破损预期及寿命。

所述的由基础数据衍生的破损指数，包括：表观热震脆性G_σ、表观抗热震破损频度R_{（σ50～σ5）}和z值热震脆性G_{｛z，β（z）﹜}、z值抗热震破损频度R_{｛β（z）50～β（z）5﹜}。

如图1所示：完成本发明所述的一种基于Z向破损深度的抗热震性试验方法的试验机，其包括加热炉热电偶1，急热加热炉2，耐火炉衬3，加热元件4，水平状态试样（急热前、急热后）5.1，急热状态试样5.2，测试状态试样5.3，急冷状态试样5.4，炉门6，夹持器7，旋转机构8，移动机构9，移动机构驱动器10，双目三维景深模组11，双目三维模组支架与通讯电缆12，互联网络接口13.1，打印机3.2，智能上位机4.1，上电按钮14.2，电控柜15，主机架16，冷却水入口17，急冷水槽18，冷却水出口19，炉门升降驱动机构20，夹持器旋转轴21，急热加热炉炉膛22。

其相互位置关系：试样5.2固定在夹持器7上，夹持器7后端连接在旋转机构8上，旋转机构8上安装有夹持器旋转轴21，夹持器旋转轴21座与移动机构9联接，移动机构9上安装有移动机构驱动器10。在移动机构驱动器10的驱动下移动机构9带动旋转机构8前后水平移动，旋转机构8带动夹持器7和试样在垂直方向旋转、使试样5.3到与水平呈30°的测试位、到达急热前后的水平状态试样（急热前、急热后）位置、到达急热状态的试验炉中急热状态试样5.2位置、到达急冷状态试样5.4位置。启动电控柜15上的上电按钮14.2，给设备电气系统供电，设备自动到达初始状态。在装样位安装好测试状态试样5.3，双目三维景深模组11在本实施例2中是试样5试验端面的面积和破损深度的测量装置，与智能上位机14.1自动甄别试样试验端面形貌和测量面积A₀，在智能上位机14.1上输入试验要求并记录相关信息。智能上位机14.1发出指令，急热加热炉2加热到试验温度，保持20min，旋转机构8带动夹持器7旋转，到达急热前后的水平状态试样（急热前、急热后）位置；炉门升降驱动机构20带动炉门6，打开炉门6，移动机构9带动夹持器7向急热加热炉2方向移动，直至急热状态试样5.2进入急热加热炉2内50mm，保持20min，移动机构9带动夹持器7离开急热加热炉2，到达水平状态试样5.1（急热前、急热后）位置；旋转机构8带动夹持器7旋转，到达急冷状态试样5.4位置，保持3min，旋转机构8带动夹持器7旋转，通过水平状态试样5.1（急热前、急热后）位置，然后到达测试状态试样5.3，双目三维景深模组11与智能上位机14.1自动甄别试样试验端面形貌和测量面积A₂等，按照实施例1继续进行计算、往复试验工作，直至结束，打印机13.2打印报告。

具体实施方法过程如下：

F1、试样5准备：其操作方法依据GB/T30873-2014，备好三块长230㎜×高114mm×宽65（75）mm的直形砖，并置于电热鼓风干燥箱中干燥，用双目三维景深视觉模组11（一种具有Z向尺寸红外测量和XY向平面尺寸可见光测量的非接触式电子光学设备）采集试样试验端面的原始信息A₁（单位：mm²），输送到智能上位机14.1储存备用。

F2、试样5处理：向试样5试验面浸印耐火氧化铬微粉，约0.1mm后，置入电热鼓风干燥箱中干燥2h或在室温下放置5h以上。

F3、装样：按GB/T30873-方法1的5.4.2安装试样5。

F4、启动电源，给智能上位机14.1、双目三维景深视觉模组11等机电设备供电。

F5、操作智能上位机14.1，试样5试验端面到测试位置，双目三维景深视觉模组11自动甄别试样5试验端面的信息A₀(此时A₀=A_1，但浸印前后试样5试验端面的RGB不同)，并将其输入到智能上位机14.1。将试样5名称、试样编号、委托单位、热处理温度、试样试验条件（试验温度1100℃，σ表观破损率取50%，z的最小值取5mm）、试样5试验端面尺寸及一些特征等基本信息输入到智能上位机14.1。

F6、选择或输入升温制度、试验温度、试验结束条件等运行参数。

F7、启动运行键，试验炉自动加热，加热到试验温度（1100℃）自动保温20min，打开炉门，试样试验端面进入炉膛内边沿50mm以内，炉温在5min内恢复到试验温度，开始保温计时；供水系统自动供水；试样试验端面在炉内保温20min后，试样试验端面迅速垂直进入水槽水位线下50mm，距水槽底部大于20mm处，开始急冷计时，保持流出和流入水槽的温度升高不大于10℃，关闭炉门，当试样急冷3min时，试样试验端面移到待测位置，约5min，启动双目三维景深视觉模组，自动甄别急热急冷后试样试验端面XY平面的破损A_（5）2（单位：mm²）和Z向破损深度的情景与数据z（单位：mm），将其输送到智能上位机14.1，与试样5未涂色的原始端面A₁和涂色后的端面信息A₀，在智能上位机14.1上快速运算，按σ=A₂/A₁×100％计算表观破损率，按β_（5）= A_（5）2 / A₁×100%计算试样试验端面基于z值的损失率β_（5）；当σ和β_（5）小于（50±5）％时，打开炉口，试样迅速送入炉内50mm，进行第二次急热，保持20min，试样从炉内移出，进入水槽，急冷3min；测试，计算；如此往复，直至满足F8的试验结束条件时试验结束。

F8、试验结束条件：

F8.1试验达到了任何预设（σ和或z和或β_（z））的试验条件的循环次数；

F8.2设定试样试验端面表观破损率σ刚刚大于等于（50±5）％的循环次数，同时报告z和β_（z）；

F8.3 设定z的最小值为5mm的循环次数，同时报告试样试验端面破损率β_（5）和σ值；

F8.4其他情况的停止。

F9 计算并报告：除包含GB/T30873方法1的报告项目外，还应包含表观破损率σ的5%、10% 、20%、 30%、40%、50%急热急冷循环次数R₅、R₁₀、R₂₀、R₃₀、R₄₀、R₅₀及对应的β_（5）、R_（5，5）、R_（5，10）、R_（5，20）、R_（5，30）、R_（5，40）、R_（5，50）和其相应的三维图像，该基础数据信息经智能上位机14.1给出了试样5的表观热震脆性G₅、G₁₀、G₂₀、G₃₀、G₄₀、G₅₀等，z值热震脆性G_（5，5）、G_（5，10）、G_（5，20）、G_（5，30）、G_（5，40）、G_（5，50）和表观抗热震频度R_{（σ50～σ5）}和z值抗热震频度R_{｛β（5）50～β（5）5﹜}等。

按照上述方法，三块高铝砖部分测试数据（见表一）和试验报告（见表二）如下：

表一 测试数据

表二 试验报告

Claims (10)

1.一种基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：在试验机中特别设置有试样试验端面破损深度的测量装置或量具，用于Z向破损深度z值的测量，同时在试验前进行试样试验端面XY向的原始面积A₁的面积测量，每次急热急冷循环后试样试验端面XY向的表观破损面面积A₂的面积测量；以σ =A₂/A₁×100%计算试样试验端面表观损失率σ；以具有一定Z向破损量z值的XY向平面的破损面积A_（z）2占其试验前原始XY向平面面积A₁的百分率β_（z）=A_（z）2 / A₁×100%计算试样试验端面基于z值的损失率β_（z）；以达到设定的σ数值的急热急冷循环次数R_σ表示材料的表观抗热震性，并以达到设定的z和β_（z）数值的急热急冷循环次数R_{﹛z，β（z）﹜}，表示材料的基于z值的抗热震性；试验报告中，包含基础数据：设定的σ、z和β_（z）数值和实际测试的急热急冷循环次数的表观抗热震性R_σ、基于z值的抗热震性R_{｛z，β（z）﹜}，以及由基础数据衍生的破损指数，这些衍生的破损指数用于判断耐火材料在高温窑炉中使用的破损预期及寿命。

2.根据权利要求1所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述的试样试验端面表观损失率σ数值可分别设定为5%、10%、20%、30%、40%、50%等。

3.根据权利要求1所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述的Z向破损深度z值的数值可以设定为大于等于0、1㎜、2㎜、5㎜、10㎜、20㎜、30㎜、40㎜或50㎜等，可在未破损与破损交界1mm等的位置处测量，应在试验报告中注明。

4.根据权利要求1所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述的试样试验端面基于z值的损失率β_（z），可以分别设定为5%、10%、20%、30%、40%、50%。

5.根据权利要求1所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述设置在试验机的试样试验端面破损深度测量装置或量具，可以是红外测距仪、激光测距仪、可见光测距仪、声波测距仪等非接触式的，也可以是接触式的深度计等；其测量分辨率优于5mm，测量范围不小于10mm。

6.根据权利要求1所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述用于面积测量的工具，可以是非接触式的可读数光学设备，也可以是接触式的量具，其测量分辨率优于5 mm，测量范围不小于114mm×65mm。

7.根据权利要求1所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述的由基础数据衍生的破损指数，包括：表观热震脆性G_σ、表观抗热震破损频度R_{（σ50～σ5）}和z值热震脆性G_{｛z，β（z）﹜}、z值抗热震破损频度R_{｛β（z）50～β（z）5﹜}；所述的表观热震脆性G_σ是指，将经过一次急热急冷循环R_σ=1次即破损时记为100，经过一百次急热急冷循环发生热震损坏R_σ=100次时记为1；在数值上，表观热震脆性G_σ等于表观抗热震性R_σ的倒数乘于100，即G_σ=1/R_σ×100；当σ≥（50±5）%时，G₅₀为其抗热震性次数R₅₀的倒数×100，则G₅₀=1/R₅₀×100；其反映了耐火制品急热急冷易破坏的特性，其值越大则越容易破损。

8.根据权利要求7所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述的z值热震脆性G_{｛z，β（z）﹜}是指，G_{｛z，β（z）﹜}=1/R_{｛z，β（z）﹜}×100；当z=5mm， β_（z） ≥（50±5）%时，G_（5，50）为其抗热震性次数R_（5，50）的倒数×100，则 G_（5，50）=1/R_（5，50）×100，其值越大，在温度急剧变化时其更易破裂。

9.根据权利要求7所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述的表观抗热震频度 R_{（σ50～α5）}是指，从产生最终破损的表观破损率σ（如σ ≥ 50%）的急热急冷次数R_σ（如 R₅₀）与一个产生初始破损的表观破损率σ（如 σ = 5%）的急热急冷次数R_σ（如 R₅）的差值，即 R_{（σ50～05）}=R₅₀-R₅；也可以是其它，如R_{（σ40～σ5）}、R_{（σ50～σ20）}，反映制品从产生初次破损到最终破损的剧烈程度。

10.根据权利要求7所述的基于Z向破损深度的抗热震性试验方法，其特征是：所述的z值抗热震频度R_{｛β（z）50～β（z）5﹜}是指，从一个β_（z）（如，z=5mm，β_（5）=50%）的急热急冷次数与一个产生初始破损β_（z）的急热急冷次数R_（5，5）的差值，即 R_{｛β（5）50～β（5）5﹜}=R_（5，50）- R_（5，5）；也可以是其它，如R_{｛β（5）40～β（5）5﹜}、 R_{｛β（5）50～β（5）20﹜}。