Analýza poškození žáruvzdorných materiálů v pilířích skluzu koksárenské pece za sucha ukazuje, že zlepšení pevnosti v ohybu a odolnosti žáruvzdorných materiálů proti teplotním šokům je účinný způsob, jak prodloužit jejich životnost. Zavedení ocelových vláken do mullitových odlitků z karbidu křemíku poskytuje vyztužení a houževnatost, čímž se prodlužuje jejich životnost. Typ pojiva je rozhodující pro konstrukci a výkon žáruvzdorných žárobetonů. Tento článek zkoumá účinky tří pojiv-čistého hlinitanového cementu vápenatého (Secar 71), křemičitého solu a alumino-prášku silikagelu-na strukturu a vlastnosti žárobetonů, aby bylo možné určit vhodné pojivo.
Obecné fyzikální vlastnosti
Po vysušení při 110 stupních a tepelném zpracování při 1 000 stupních měl vzorek pojený cementem hlinitanem vápenatým -nejnižší zdánlivou pórovitost a nejvyšší objemovou hustotu, což ukazuje, že cement- drželžárobeton z karbidu křemíkumá nejlepší tokové vlastnosti, usnadňuje tvorbu vzorku. Vzorek pojený hlinitanem vápenatým-prošel významnou dehydratací při 850 stupních, což mělo za následek zvýšenou zdánlivou pórovitost a sníženou objemovou hustotu. Po tepelném zpracování při 1000 stupních se vzorek slinoval a smršťoval, čímž se zvýšila jeho hustota.
Pevnost v ohybu při pokojové teplotě a pevnost v tlaku vzorků s různými pojivy se zvyšovala se zvyšující se teplotou tepelného zpracování. Po vysušení při 110 stupních měl vzorek spojený hlinitanovým cementem nejvyšší pevnost v ohybu, 7,5 MPa, zatímco vzorek spojený práškovým oxidem hlinitým-silikagelem měl nejnižší pevnost. To naznačuje, že chemická reakce mezi cementem a vodou tuhne a tvrdne, což vede k nejvyšší pevnosti, která nejvíce přispívá ke konstrukční bezpečnosti žáruvzdorných žárobetonů. Po tepelném zpracování při 850 stupních se pevnost v ohybu při pokojové teplotě u vzorků se třemi pojivy významně nelišila. Vzorek spojený cementem hlinitanem vápenatým měl nejvyšší pevnost v tlaku při pokojové teplotě, 53,6 MPa. Po tepelném zpracování při 1000 stupních měl vzorek spojený cementem hlinitanem vápenatým nejvyšší pevnost v ohybu při pokojové teplotě 14,3 MPa, zatímco vzorek spojený práškovým silikagelem z oxidu hlinitého měl nejvyšší pevnost v tlaku při pokojové teplotě 70,2 MPa. To ukazuje, že fáze monoaluminát vápenatý (CA), dialuminát vápenatý (CA2) a dodekaluminát vápenatý (C12A7) vyrobené hydratací hlinitanového cementu mají vysokou pevnost spojení. Nano-Al2O3 a SiO2 v prášku alumino-silikagelu reagují za vzniku mullitové vazebné fáze, která může zvýšit pevnost odlévatelného karbidu křemíku.
Distribuce velikosti pórů
Po tepelném zpracování při 1000 stupních byla průměrná velikost pórů vzorků spojených cementem hlinitanem vápenatým (skupina A) 0,23 μm, se středním průměrem 0,74 μm. Distribuce velikosti pórů byla nejkoncentrovanější (0,01 μm až 2 μm). Vzorky navázané křemičitým solem (skupina B) měly nejmenší průměrnou velikost pórů, 0,13 μm, se středním průměrem 0,40 μm a širší distribuci velikosti pórů (0,01 μm až 4 μm). Vzorky spojené s alumino{12}}silikagelovým práškem (skupina C) měly největší průměrnou velikost pórů, 0,28 μm, se středním průměrem 0,77 μm. Distribuce velikosti pórů se pohybovala od 0,01 μm do 6 μm, ale distribuce velikosti pórů byla koncentrována v rozsahu 0,01 až 1 μm.
Pevnost v ohybu-za vysoké teploty
Vzorek vázaný -solem oxidu křemičitého měl nejvyšší pevnost v ohybu za vysoké-teploty, 13,7 MPa. Vzorky pojené cementem-a hlinitým-práškem silikagelu-vykazovaly nižší pevnost v ohybu za vysokých-teplot, 7,8 MPa a 8,3 MPa. Je to proto, že nano-SiO2 v solu oxidu křemičitého tvoří ve vzorku křemíkovou-kyslíkovou síť a je vysoce reaktivní. Při 1000 stupních pohotově reaguje s aktivním mikropráškem -Al2O3 za vzniku mullitové sítě, která zvyšuje pevnost vzorku. Prášek z oxidu hlinitého-silikagelu obsahuje méně SiO2, takže mullitová síť vytvořená ve vzorku při 1000 stupních není tak silná jako u vzorku navázaného -sólem oxidu křemičitého, což má za následek nižší pevnost v ohybu za vysokých{24}}teplot. Hlinitanový cement obsahuje určité množství CaO, který při vysokých teplotách snadno reaguje s SiO2 a Al2O3 v materiálu za vzniku fází s nízkým-bodem tání-, jako jsou 3CaO×Al2O3 a 2CaO×Al2O3×SiO2. Tyto fáze se pak při vysokých teplotách stávají kapalnými, čímž se snižuje pevnost vzorku při vysoké teplotě v ohybu-.
Stabilita tepelného šoku
Vzorek vázaný na sol- oxidu křemičitého vykazoval nejvyšší zbytkovou pevnost v ohybu, 7,8 MPa. Vzorek spojený práškovým oxidem hlinitým-silikagelem vykazoval nejnižší zbytkovou pevnost v ohybu, 5,3 MPa. Vzorek spojený cementem hlinitanem vápenatým vykazoval jak vysokou zbytkovou pevnost v ohybu, tak zachování pevnosti v ohybu. Vynikající odolnost vůči teplotním šokům u vzorků pojených cementem a hlinitanem vápenatým -a křemičitým solem- může být způsobena jejich koncentrovanou distribucí velikosti pórů a strukturou křemíkové-kyslíkové sítě. V heterogenních vícefázových žáruvzdorných materiálech způsobují rozdíly v koeficientech tepelné roztažnosti mezi fázemi vznik četných mikrotrhlin v odlitcích z karbidu křemíku během nesouladu tepelné roztažnosti. Tyto mikrotrhliny nejen absorbují elastickou deformační energii, čímž snižují hnací sílu pro růst primární trhliny, ale také rozptylují napětí koncentrované na špičce trhliny, rozptylují energii potřebnou pro šíření trhliny a zlepšují odolnost materiálu proti tepelnému šoku.
Odolnost proti opotřebení
Testy otěru byly provedeny na vzorcích s různými pojivy po slinování při 1000 stupních. Výsledky ukázaly, že vzorky pojené hlinitocementem-a alumino{3}}práškem silikagelu-vykazovaly menší opotřebení, přičemž vzorek pojený hlinitanovým cementem-vykazoval nejnižší opotřebení, 3,75 cm³, a vzorek pojený koloidním křemenem-nejvyšší opotřebení, 7. U heterogenních žáruvzdorných materiálů sestávajících z kameniva a matrice erozní opotřebení obvykle nejprve odstraní matrici, přičemž primárním cílem opotřebení jsou vyčnívající izolované ostrůvkové částice. Tyto částice pak odpadávají, vytvářejí trhliny a dále poškozují okolní matrici. Vzorky pojené hlinitanovým cementem-vykazovaly vyšší hustotu a tvořily Si-O-Al vazby mezi práškem SiO₂ a cementovým hydrátem, což mělo za následek těsnou matrici a lepší odolnost proti opotřebení. Ve vzorcích spojených s alumino-práškem silikagelu-zreagoval nano-Al₂O₃ s SiO₂ za vzniku mullitové matrice, která zvýšila odolnost proti opotřebení. Vzorky vázané na koloidní oxid křemičitý{21}} vykazovaly v matrici četné mikrotrhliny, díky čemuž byly méně odolné vůči opotřebení erozí.
Mikrostrukturální analýza
Po tepelném zpracování při 1000 stupních vykazovaly vzorky pojené cementem hlinitanem vápenatým- nejtěsnější vazbu mezi matricí a kamenivem, což přispělo k jejich vyšší hustotě, pevnosti a odolnosti proti opotřebení. Kromě toho matrice obsahovala četné mikrotrhliny, což mělo za následek koncentrovanou distribuci velikosti pórů a vynikající odolnost proti tepelným šokům. Vzorky vázané na sol- oxidu křemičitého vykazovaly četné dutiny a mikrotrhliny, což přispělo k jejich vysoké zdánlivé poréznosti, široké distribuci velikosti pórů a špatné odolnosti proti opotřebení. Kromě toho přítomnost velké křemičité-kyslíkové sítě přispěla k jejich vysoké-pevnosti v ohybu za vysokých teplot a vynikající odolnosti vůči tepelným šokům. Vzorky spojené s práškovým oxidem hlinitým-silikagelem- vykazovaly lepší vazbu mezi agregátem a matricí, s velkou sloupcovou mullitovou sítí v matrici, což mělo za následek vynikající mechanické vlastnosti a odolnost proti opotřebení.
