สารยึดเกาะมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพของมัลไลท์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่หล่อได้อย่างไร

การวิเคราะห์ความเสียหายของวัสดุทนไฟในเสารางเตาอบโค้กชุบแข็งแบบแห้งบ่งชี้ว่าการปรับปรุงความแข็งแรงดัดงอและความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัสดุทนไฟเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการยืดอายุการใช้งาน การนำเส้นใยเหล็กมาใช้ในวัสดุหล่อซิลิกอนคาร์ไบด์มัลไลท์ช่วยเสริมแรงและความทนทาน จึงช่วยยืดอายุการใช้งาน ประเภทของสารยึดเกาะมีความสำคัญต่อการก่อสร้างและประสิทธิภาพของวัสดุหล่อทนไฟ บทความนี้จะตรวจสอบผลกระทบของสารยึดเกาะสามชนิด-ซีเมนต์อะลูมิเนตแคลเซียมบริสุทธิ์ (Secar 71), ซิลิกาโซล และ-ผงซิลิกาเจลของอลูมิโน-ต่อโครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุที่หล่อได้เพื่อกำหนดสารยึดเกาะที่เหมาะสม

คุณสมบัติทางกายภาพทั่วไป

หลังจากการอบแห้งที่ 110 องศาและการบำบัดความร้อนที่ 1000 องศา ตัวอย่างซีเมนต์แคลเซียมอลูมิเนต-มีความพรุนปรากฏน้อยที่สุดและมีความหนาแน่นรวมสูงสุด ซึ่งบ่งชี้ว่าซีเมนต์-ถูกยึดเหนี่ยวซิลิกอนคาร์ไบด์ที่หล่อได้มีคุณสมบัติการไหลที่ดีที่สุด อำนวยความสะดวกในการขึ้นรูปตัวอย่าง ตัวอย่างที่ยึดติดแคลเซียมอะลูมิเนต-พบภาวะขาดน้ำอย่างมีนัยสำคัญที่ 850 องศา ส่งผลให้มีความพรุนปรากฏเพิ่มขึ้นและความหนาแน่นรวมลดลง หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่ 1,000 องศา ตัวอย่างจะถูกเผาและหดตัว ส่งผลให้มีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น

ความต้านทานแรงดัดงอของอุณหภูมิห้องและกำลังรับแรงอัดของตัวอย่างที่มีสารยึดเกาะต่างกันจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิการรักษาความร้อนที่เพิ่มขึ้น หลังจากการอบแห้งที่อุณหภูมิ 110 องศา ตัวอย่างที่ถูกพันธะด้วยซีเมนต์แคลเซียมอลูมิเนตมีความต้านทานแรงดัดงอสูงสุดที่ 7.5 MPa ในขณะที่ตัวอย่างที่ถูกพันธะด้วยผงซิลิกาเจลอลูมินา-มีความแข็งแรงต่ำสุด สิ่งนี้บ่งชี้ว่าปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างซีเมนต์กับน้ำจะแข็งตัวและแข็งตัว ส่งผลให้มีความแข็งแรงสูงที่สุด ซึ่งเอื้อต่อความปลอดภัยในการก่อสร้างของวัสดุหล่อแบบทนไฟได้มากที่สุด หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่ 850 องศา ความต้านทานแรงดัดงอของอุณหภูมิห้อง-ของตัวอย่างที่มีสารยึดเกาะทั้งสามไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างที่ถูกยึดด้วยซีเมนต์แคลเซียมอะลูมิเนตมีกำลังรับแรงอัดที่อุณหภูมิห้องสูงสุด-ที่ 53.6 MPa หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่ 1000 องศา ตัวอย่างที่ยึดเกาะกับซีเมนต์แคลเซียมอลูมิเนตมีความต้านทานแรงดัดงอของอุณหภูมิห้องสูงสุด-ที่ 14.3 MPa ในขณะที่ตัวอย่างที่ยึดติดด้วยผงซิลิกาเจล-ของอลูมินามีความแข็งแรงในการรับแรงอัดที่อุณหภูมิห้องสูงสุดที่ 70.2 MPa สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเฟสแคลเซียมโมโนอลูมิเนต (CA), แคลเซียมไดลูมิเนต (CA2) และแคลเซียมโดเดคาลูมิเนต (C12A7) ที่เกิดจากการให้ความชุ่มชื้นของซีเมนต์แคลเซียมอะลูมิเนตมีความแข็งแรงในการยึดเกาะสูง นาโน-Al2O3 และ SiO2 ในผงซิลิกาเจลอลูมิโน-ทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างเฟสพันธะมัลไลท์ ซึ่งสามารถเพิ่มความแข็งแรงของซิลิกอนคาร์ไบด์ที่หล่อได้

การกระจายขนาดรูพรุน
หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่ 1,000 องศา ขนาดรูพรุนเฉลี่ยของตัวอย่างที่เชื่อมด้วยซีเมนต์แคลเซียมอลูมิเนต (กลุ่ม A) เท่ากับ 0.23 ไมโครเมตร โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 0.74 ไมโครเมตร การกระจายขนาดรูพรุนมีความเข้มข้นมากที่สุด (0.01 μm ถึง 2 μm) ตัวอย่างที่ถูกพันธะด้วยซิลิกาโซล (กลุ่ม B) มีขนาดรูพรุนเฉลี่ยน้อยที่สุดคือ 0.13 μm โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางมัธยฐาน 0.40 μm และมีการกระจายขนาดรูพรุนที่กว้างขึ้น (0.01 μm ถึง 4 μm) ตัวอย่างที่เชื่อมด้วยผงซิลิกาเจลอลูมิโน- (กลุ่ม C) มีขนาดรูพรุนเฉลี่ยที่ใหญ่ที่สุดคือ 0.28 ไมโครเมตร โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยอยู่ที่ 0.77 ไมโครเมตร การกระจายขนาดรูพรุนอยู่ระหว่าง 0.01 μm ถึง 6 μm แต่การกระจายขนาดรูพรุนมีความเข้มข้นภายในช่วง 0.01 ถึง 1 μm

ความต้านทานแรงดัดงอที่อุณหภูมิสูง-
ตัวอย่างที่ยึดติดซิลิกาโซล-มีความต้านทานแรงดัดงอที่อุณหภูมิสูง-สูงสุดที่ 13.7 MPa ตัวอย่างที่ยึดติดซีเมนต์-และอลูมินา-ผงซิลิกาเจล-ที่ยึดติดมีความต้านทานแรงดัดงอที่อุณหภูมิสูง-ต่ำกว่าที่ 7.8 MPa และ 8.3 MPa ตามลำดับ เนื่องจากนาโน-SiO2 ในซิลิกาโซลก่อให้เกิดโครงข่ายออกซิเจน-ของซิลิคอนภายในตัวอย่างและมีปฏิกิริยาสูง ที่ 1,000 องศา สารจะทำปฏิกิริยากับผงขนาดเล็ก -Al2O3 ที่ใช้งานอยู่เพื่อสร้างเครือข่ายมัลไลท์ ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งของตัวอย่าง ผงซิลิกาเจลอลูมินา-มี SiO2 น้อยกว่า ดังนั้นโครงข่ายมัลไลท์ที่เกิดขึ้นในตัวอย่างที่ 1000 องศาจึงไม่แข็งแรงเท่ากับตัวอย่างที่พันธะซิลิกาโซล{- ส่งผลให้ค่าความต้านทานแรงดัดงอของอุณหภูมิสูง-ลดลง ซีเมนต์แคลเซียมอลูมิเนตมี CaO อยู่จำนวนหนึ่ง ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับ SiO2 และ Al2O3 ในวัสดุได้อย่างง่ายดายที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างเฟสที่มีจุดหลอมเหลว-}จุดหลอมเหลว-ต่ำ เช่น 3CaO×Al2O3 และ 2CaO×Al2O3×SiO2 เฟสเหล่านี้จะกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้ค่าความต้านทานแรงดัดงอที่อุณหภูมิสูง-ของตัวอย่างลดลง

เสถียรภาพการกระแทกจากความร้อน
ตัวอย่างที่ยึดติดซิลิกาโซล-มีความต้านทานแรงดัดงอตกค้างสูงสุดที่ 7.8 MPa ตัวอย่างที่ยึดติดกับผงซิลิกาเจลอลูมินา-มีความต้านทานแรงดัดงอตกค้างต่ำสุดที่ 5.3 MPa ตัวอย่างที่ยึดติดด้วยซีเมนต์แคลเซียมอลูมิเนตแสดงทั้งค่าความต้านทานแรงดัดงอตกค้างสูงและค่าความต้านทานแรงดัดงอสูง ความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันของซีเมนต์อะลูมิเนตแคลเซียม-และตัวอย่างที่ถูกพันธะซิลิกาโซล-อาจเนื่องมาจากการกระจายขนาดรูพรุนที่เข้มข้นและโครงสร้างโครงข่ายออกซิเจนของซิลิคอน- ตามลำดับ ภายในวัสดุทนไฟหลายเฟสที่ต่างกัน ความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่างเฟสทำให้เกิดรอยแตกขนาดเล็กจำนวนมากก่อตัวขึ้นในซิลิคอนคาร์ไบด์ที่หล่อได้ในระหว่างการขยายตัวเนื่องจากความร้อนไม่ตรงกัน รอยแตกขนาดเล็กเหล่านี้ไม่เพียงแต่ดูดซับพลังงานความเครียดแบบยืดหยุ่น ซึ่งช่วยลดแรงผลักดันสำหรับการเติบโตของรอยแตกร้าวขั้นต้น แต่ยังกระจายความเครียดที่กระจุกตัวอยู่ที่ปลายรอยแตกร้าว กระจายพลังงานที่จำเป็นสำหรับการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว และปรับปรุงความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัสดุ

ความต้านทานการสึกหรอ
การทดสอบการขัดถูดำเนินการกับตัวอย่างที่มีสารยึดเกาะต่างกันหลังจากการเผาผนึกที่ 1,000 องศา ผลการวิจัยพบว่าตัวอย่างซีเมนต์อลูมิเนต-ที่ถูกพันธะและอลูมิโน-ผงซิลิกาเจล-ที่ถูกพันธะมีการสึกหรอน้อยกว่า โดยตัวอย่างซีเมนต์อะลูมิเนต-ที่ถูกพันธะมีการสึกหรอน้อยที่สุดที่ 3.75 ซม.³ และตัวอย่างที่ถูกพันธะซิลิกาคอลลอยด์-มีการสึกหรอสูงสุดที่ 7.58 ซม.ลูกบาศก์ สำหรับวัสดุทนไฟที่ต่างกันซึ่งประกอบด้วยมวลรวมและเมทริกซ์ การสึกหรอจากการกัดเซาะมักจะขจัดเมทริกซ์ออกก่อน โดยปล่อยให้อนุภาคคล้ายเกาะที่ยื่นออกมา{10}}โดดเดี่ยวเป็นเป้าหมายการสึกหรอหลัก อนุภาคเหล่านี้จะหลุดออกไป ก่อให้เกิดรอยแตกและสร้างความเสียหายต่อเมทริกซ์โดยรอบ ตัวอย่างซีเมนต์อะลูมิเนต-มีความหนาแน่นสูงกว่า ทำให้เกิดพันธะ Si-O-Al ระหว่างผง SiO₂ และซีเมนต์ไฮเดรต ส่งผลให้มีพันธะเมทริกซ์แน่นและทนทานต่อการสึกหรอได้ดีขึ้น ในตัวอย่างที่เชื่อมด้วยผงซิลิกาเจลอลูมิโน- นาโน-Al₂O₃ ทำปฏิกิริยากับ SiO₂ เพื่อสร้างเมทริกซ์มัลไลต์ ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ ตัวอย่างซิลิกาคอลลอยด์-มีรอยแตกขนาดเล็กจำนวนมากในเมทริกซ์ ซึ่งทำให้ทนทานต่อการสึกหรอจากการกัดเซาะได้น้อยลง

การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาค
หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่ 1000 องศา ซีเมนต์แคลเซียมอลูมิเนต-ตัวอย่างที่ยึดติดกันมีพันธะที่แน่นที่สุดระหว่างเมทริกซ์และมวลรวม ส่งผลให้มีความหนาแน่น ความแข็งแรง และความต้านทานการสึกหรอสูงขึ้น นอกจากนี้ เมทริกซ์ยังมีรอยแตกขนาดเล็กจำนวนมาก ส่งผลให้มีการกระจายขนาดรูพรุนอย่างเข้มข้นและต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ชิ้นงานที่ยึดติดซิลิกาโซล-มีช่องว่างและรอยแตกขนาดเล็กจำนวนมาก ส่งผลให้มีความพรุนสูง การกระจายขนาดรูพรุนกว้าง และความต้านทานการสึกหรอต่ำ นอกจากนี้ การมีโครงสร้างโครงข่ายออกซิเจนของซิลิกาขนาดใหญ่-ส่งผลให้มีความแข็งแรงในการรับแรงดัดงอที่อุณหภูมิสูง-และต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดีเยี่ยม ตัวอย่าง-ผงซิลิกาเจล-ที่เชื่อมด้วยอลูมินาแสดงพันธะที่ดีกว่าระหว่างมวลรวมและเมทริกซ์ โดยมีเครือข่ายมัลไลท์เรียงเป็นแนวขนาดใหญ่ในเมทริกซ์ ส่งผลให้มีคุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่าและทนทานต่อการสึกหรอ