Вибір оптимальних технологічних параметрів виробництва шамотних вогнетривів і їх взаємозв’язок з основними властивостями виробів (стр. 4 из 7)

Температура початку і закінчення спікання залежить не від вогнетривкості глин, а від їхньої хімічної і мінералогічної сполук і дисперсності.

При випалі глин і каолінів у них одночасно з мулітом і кристобалітом утвориться аморфна частина і рідка фаза (після охолодження - склофаза). Луги сильно

взаємодіють з кристобалітом і, переводять його в рідку фазу, кількість якої безпосередньо залежить від змісту лугів в алюмосилікатах.

Склоподібна частина утвориться в результаті плавлення домішок і частково розчинення кристобаліта в його метастабільної субмікроскопічної формі. Хімічний склад склоподібної частини залежить від загального складу глини чи каоліну до випалу і кількості утворившогося муліту.

2.5 Теоретичні аспекти границі міцності при стиску шамотних вогнетривів для футеровки вагранок та шляхи її поліпшення

Згідно з умовами служби шамотних виробів для футеровеи вагранок марки ШБВ вони повинні мати слідуючи властивості:

1.Границя міцності при стиску

Міцність твердих тіл характеризується силами взаємодії між атомами або іонами, які складають тіло. Міцність залежить не тільки від хімічного складу речовини, але і від виду напруженого стану (розтяг, стиск, вигин та ін.), від умов експлуатації (температура, швидкість навантаження, вплив навколишнього середовища та ін.), а також від структури.

Вогнетриви при кімнатній температурі характеризуються крихким

руйнуванням, яке звичайно наступає після незначної 0,01-0,02% оборотної (пружної) деформації і невеликої по величині пластичної (необоротної), яка зумовлюється мікроруйнуванням. Загальна деформація у вогнетривів доходить до 0,3-0,7%.

В межах пружної деформації до вогнетривів можна застосувати закон Гука, відповідно якому в невеликому інтервалі деформацій

σ /ε =Е; σ = ε · Е

де Е - модуль пружності, Н/мм²; ε - відносна деформація; σ - напруга, Н/мм².

Модуль пружності Е (модуль Юнга) - це фізична величина, яка характеризує властивості матеріалу, а саме у кристалах характеризує силу хімічного зв'язку структурних елементів у ґратках.

Пружна деформація зв'язана із збільшенням відстані між атомами речовини при прикладенні навантаження і залежить від енергії кристалічних ґраток. Пружна деформація зв'язана із збільшенням відстані між атомами речовини при прикладенні навантаження і залежить від енергії кристалічних ґраток. Цей зв'язок виражається залежністю модуля пружності від температури плавлення. Підрахована теоретична міцність (σ_т) міжатомного зв'язку кристалів оксидів і оксидних стекол, яка визначається модулем пружності Е, поверхневою енергією твердого тіла σ₁ і, параметром ґраток λ

σ_т=√2Е σ₁/ λ

і складає 10⁴ Н/мм² (Е ≈10⁵Н/мм²).

У вогнетривів звичайно спостерігається відхилення від лінійної залежності σ=f(ε), не зв'язане з енергією ґраток, а зв'язане зі структурою матеріалу. У зв'язку з цим пружність вогнетривів характеризується двома модулями: дотичним модулем Юнга Е = tg λ і січним V = tgβ, або модулем деформації (рис.2.1).

Рис.2.1. Схематичне зображення деформації вогнетривів:

а - крива деформації; б - точка руйнування; σ_ст — границя міцності при руйнуванні (стиску); ε_n, - деформація

Модуль деформації не має фізичного смислу і залежить від умов дослідження, але відношення Е/V є показником однорідності структури. Якщо lim (Е/V) -» 1, то структура прямує до однорідності. Чим нижчі значення модулей Е і V, тим більше виражена тенденція вогнетривів до деформації і остаточного руйнування і тим менша можливість руйнування в службі.

Механічна міцність вогнетривів при нормальній температурі характеризується границею міцності при стиску (σ_ст.), вигину (σ_виг), розтягу (σ_роз). Для рядових вогнетривів σ_ст складає 20-50 Н/мм², а для щільних 50-100 Н/мм. σ_ст характеризує стійкість вогнетривів у стіновій кладці. Міцність вогнетривів при деформаціях вигину і розтягу орієнтовно визначається:

σ_виг. = (0,3-0,2)σ_ст.

σ_роз= (016 ÷ 0,12) σ_ст

σ_виг характеризує стійкість вогнетривів у кладці склепіння, кільцевій та інших криволінійних кладках.

Висока міцність вогнетривів характеризується зерновим складом вихідних матеріалів, якістю обробки маси, пресуванням, випалом (ступенем спікання маси) і в основному визначається однорідністю будови або структурою. Міцність залежить не тільки від пористості, а і від розміру пор: крупні пори більш низько знижують міцність при підвищенні пористості, ніж дрібні. Крім розміру пор і зерен суттєве значення на міцність чинить рівномірність розподілу пор та їх форма. Пори, які знаходяться в зернах, менше знижують міцність, ніж пори зв'язки і пори, що знаходяться між крупними зернами і зв'язкою. Щодо форми пор особливо небезпечними є відкриті тріщини з гострими кінцями. Зменшення розміру пор, регулювання їх розподілу і форми є перспективними способами міцності вогнетривів.

Суттєва різниця між теоретичною і практичною міцністю з'ясовується в теоріях Гриффітса, Вейбулла, Журкова та ін.

По теорії Гриффітса реальні тіла мають численні тріщини (тріщини Гриффітса). Цей дефект являється концентратором напруг, а тому в області, яка приля-

гає до кінчика тріщини, напруги можуть досягати критичних значень, близьких або перевищуючих значення теоретичної міцності. Напруга на кінці гострої тріщини дорівнює

σ_max=2σ_ср√l/r

де σ_ср - середня напруга в матеріалі;

l - довжина тріщини (близько 10^-4 см);

r-радіус кривизни кінчика тріщини (дорівнює приблизно міжатомній відстані 0,1-0,4 нм).

Виходячи з даних значень l і r (l/r)≈ 10², тобто σ_max на два порядка більша σ_ср Таким чином, при порівняно незначній величині середньої напруги (σ_ср) в матеріалі на кінчику тріщини виникає значна локальна напруга, яка приводить до росту тріщини (рис.2.2). Розтягуюча напруга направлена перпендикулярно до тріщини. Цифри на кривих постійної напруги показують, у скільки разів місцева напруга більша середньої. Пори не тільки концентрують напруги, але і екранують частину матеріалу від напруг. Матеріал, який знаходиться над порою і під порою, сприймає значно меншу напругу, а матеріал між порами при цьому буде сприймати значно більшу напругу, ніж решта матеріалу. Екранування напруг в більшій мірі проявляється крупними порами. Оскільки міцність залежить від імовірності знаходження тріщини у зразку, то вона також носить імовірний (статистичний) характер.

Рис.2.2.Концентрація напруг поблизу кінчика еліптичної тріщини

Показник міцності при нормальній температурі зберігається при нагріванні виробів до 1000-1300°С. Для оцінки міцності вогнетривів при високих температурах служби користуються показниками температури деформації під навантаженням і повзучості.

Деформацію зразків вогнетривких виробів при високих температурах визначають стандартним методом під навантаженням 0,2 Н/мм² (МПа). Це відповідає середньому тиску, який сприймає вогнетрив у нижній частині футеровки стіни від своєї маси, висотою 10 м при об'ємній масі виробу 2 г/см³.

При випробуванні реєструють температуру початку деформації (розм'якшування) зразка, при 0,6% стиску – t_0.6р; при 4% стиску —t_4p; при 40% стиску –t_40p або температуру руйнування - t_р.

Деформація вогнетривів при високих температурах визначається, в основному, хіміко-мінералогічним складом, кількістю твердої і рідкої фаз, їх розподілом, в'язкістю розплаву. Певне значення має також текстура вогнетриву: характер його зернового складу, кількість і розподіл пор. Більш щільний вогнетрив при однаковому складі має більш високу температуру початку руйнування під навантаженням. Розрізняють три характерних види кривих деформації вогнетривів при високих температурах:

- крива деформації вогнетриву, у якого вогнетривка складова частина утворює достатню міцний кристалічний зросток, який незначно розчиняється у рідкій фазі. Звичайно динас містить 10-15% скла і 90-85% кристалічної речовини (тридиміту, кристобаліту, кварцу). Тридиміт утворює кристалічний зросток (каркас), який слабо розчиняється в рідкій фазі. Тому температура деформації динасу висока - 1660-1670°С. Руйнується динас тільки тоді, коли починає плавитися тридиміт. Інтервал деформації невеликий - 10-15°С і, як правило, супроводжується руйнуванням зразка. Високій температурі деформації динасу сприяє також досить повільне наростання рідкої фази і велика в'язкість розплаву;

-крива деформації вогнетриву, яка складається з кристалів, що не утворюють зростка, мають невогнетривку зв'язку, в якій кристали основної фази мало розчиняються (периклазовий вогнетрив). У периклазових вогнетривах кристали МgО не утворюють зростка, вони зцементовані невогнетривкого монти-челітовою зв'язкою (СаО • МgО • SіО₂, t_пл. = 1450-1550°С). Кристалів МgО розчиняється в ній дуже мало, тому вогнетривкість зв'язки з підвищенням температури не збільшується, а в'язкість значно знижується. Цим і пояснюється велика різниця між вогнетривкістю периклазових виробів і їх температурою деформації. Інтервал деформації також невеликий;

- крива деформації вогнетриву, який має зернисту основу і велику кількість (близько половини) скловидної фази, яка зв'язує зернисту основу (шамотні вироби). З підвищенням температури безперервно збільшується кількість рідкої фази і її в'язкість внаслідок розчинення в ній SiO₂ і А1₂О₃. Тому їх деформація при високих температурах (1400-1600°С) має плавний пластичний характер, зразок не руйнується, а лише приймає бочкоподібну форму. Температурний інтервал деформації складає 150-250°С.