沖蝕磨損是現代工業生產中常見的一種磨損形式。高溫下,固體粒子的沖蝕磨損是造成工業窯爐襯里材料損壞的一個重要因素,也給工業生產帶來許多不利影響。高爐上部和風口,水泥窯窯口、下料管、冷卻器和噴煤管,石灰窯內襯,電廠循環流化床鍋爐的旋風分離器等部位的工作條件極其苛刻,要求能承受高溫、高速含塵氣流的長期沖刷。因此,隨著剛玉質耐火材料在這些領域的廣泛應用,對其沖蝕磨損性能的研究顯得越來越重要。近幾十年來,國內外眾多學者對金屬材料的磨損做了大量研究工作,對陶瓷材料磨損的報道大多是常溫下的磨損研究,而中、高溫下耐火材料磨損研究的報道很少。本工作將采用自行設計的高溫耐磨損試驗儀(專利號:ZL03204459.3),以不同組分的剛玉質耐火材料作為試樣,對材料在中、高溫條件下的抗沖蝕磨損行為加以研究。將經過濃度為10mol·L-1的鹽酸酸洗、烘干后的剛玉顆粒和細粉及添加劑按表1的組成配料后在球磨機中混合,用NYL-500型500kN壓力試驗機以300MPa的壓力壓制成型為60mm×60mm×5mm的試樣,并于1500℃3h燒成。沖蝕磨損試驗在ABR-1450A型高溫耐磨試驗儀上進行。該設備可以在控制良好的試驗條件下進行材料的高溫耐沖蝕磨損性試驗。試驗裝置原理圖見圖1。使用的磨料分別是粒度為1～3mm和2～5mm未整形的棕剛玉顆粒,在試驗中盡量選用粒子大小及化學組成等均勻的磨料,并在使用前充分干燥。盛放樣品的試樣架為氮化硅結合SiC匣缽,內置不同角度的楔塊,可進行不同沖蝕角下的沖蝕試驗。磨損量的測量可采用線形磨損測量法、面積磨損測量法、體積磨損測量法與質量磨損測量法[2]。在本試驗磨粒沖蝕過程中,由于磨損寬度、磨損面積和磨損厚度不容易測定,會給測量帶來較大的誤差,因此,選用了質量法來衡量試樣磨損量的大小,即用沖蝕磨損率來表示材料的耐磨性。沖蝕磨損率按下式進行計算:式中:ΔE為沖蝕磨損率,mg·g-1;ΔW為試樣磨損前后的質量損失,mg;ν為磨料的流量,g·min-1;t為沖蝕時間,min。試驗時,沖蝕粒子用量為30kg,沖蝕溫度為600～1200℃,每次沖蝕時間為15min,熱電偶距離試樣背面不超過20mm。具體過程是將棕剛玉顆粒按給料流速和時間稱取相應的質量后放入料倉中,當試樣架內熱電偶溫度達到試驗溫度后,使其恒溫30min,開動顆粒加速裝置,并打開料倉下的加料閥門,使磨料顆粒以一定的流速和流量沖向試樣。在試驗前用感量為10μg天平稱量試樣的干燥質量,試驗后掃除試樣表面的粉塵,并稱量試驗后的試樣質量。圖2為水泥加入量對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響。從圖2可以看出,隨著水泥加入量的增加,剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率增大,耐磨性能降低。圖3為水泥加入量為6%的3#試樣沖蝕磨損后的SEM照片。從圖3可以看出試樣前端的基質已經十分疏松,并在基質和剛玉顆粒之間出現了裂紋,這進一步說明水泥加入量為6%時的沖蝕磨損較嚴重。這可能是由于1500℃燒后,試樣中純鋁酸鈣水泥所形成的主要物相CA、α-Al2O3、少量的CA6、C2A以及水泥所帶入的CaO與配料中的SiO2和Al2O3反應生成的低熔點礦物鈣長石(CAS2)或鈣鋁黃長石(C2AS)等隨著水泥加入量的增加而增加,從而導致基質的中、高溫強度和抗沖蝕性下降。此外,中溫時,鋁酸鈣水化物在脫水和分解過程中使水合鍵遭到破壞,導致剛玉質耐火材料強度顯著降低,也會導致材料的耐沖蝕磨損性下降。圖2 水泥加入量與沖蝕磨損率之間的關系(800℃,磨料粒度1～3mm)圖3 3#試樣沖蝕磨損后的前端SEM照片(800℃,磨料粒度1～3mm)2.2 硅微粉加入量對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響圖4為硅微粉加入量對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響。從圖4可以看出,隨著硅微粉加入量的增加,剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率減小,耐磨性能提高,且加入量>3%時沖蝕磨損率降幅較小。圖5為硅微粉加入量為2%的4#試樣沖蝕后的SEM照片。從圖5可以看出:隨著沖蝕時間的延長,裂紋不斷擴展,導致裂紋所包圍的整塊材料脫落時材料的切面呈鋸齒狀。圖4 硅微粉加入量與沖蝕磨損率之間的關系(800℃,磨料粒度1～3mm)眾所周知,在以硅微粉為結合系統時,澆注料強度的獲得是由于SiO2水化后在表面形成了類似硅膠結構的Si—OH鍵,脫水聚合成Si—O—Si網狀鏈。在試樣中加入少量的SiO2微粉于1500℃燒后會形成液相,促進了試樣的燒結,使材料的顯氣孔率也隨之降低,結構更加致密,試樣強度提高,所以會降低沖蝕磨損率;而且基質中的物相主要為莫來石和剛玉,也增加了材料的耐磨損性能。綜合考慮,確定硅微粉加入量為3%。圖5 4#試樣沖蝕后的側面SEM照片(800℃,磨料粒度1～3mm)圖6給出了剛玉質耐火材料沖蝕磨損率與沖蝕溫度之間的關系。從圖6中可以看出,隨著沖蝕溫度的升高,幾種剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率均逐漸增大,在1000℃左右達到最大;繼續升高溫度,剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率反而降低。材料的沖蝕磨損存在兩種典型的沖蝕模型:塑性沖蝕和脆性沖蝕[3]。低溫下剛玉質耐火材料的韌性相對很低,體現了脆性沖蝕的特點。但達到某高溫時就會出現少量的玻璃相,這種玻璃相在高溫下具有較高的粘性,它能夠松弛應力集中,提高斷裂韌性,從而使剛玉質耐火材料表現出一定的塑性,明顯改善其脆性。2.4 沖蝕角和磨料粒度對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響圖7給出了沖蝕角和磨粒粒度對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響。從圖7中可以看出,在30～60°范圍內,隨著沖蝕角的增大,不同粒度的磨粒對剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率均隨之增大,且沖蝕角在45～60°之間時,其沖蝕磨損率迅速增大,這表明沖蝕磨損機制發生了轉變。從能量角度看,當粒子沖擊到靶面時,材料的沖蝕是由垂直方向的沖擊和水平方向的切削造成的。當入射角度小,入射速度在垂直方向的分量就小,入射粒子在垂直方向的動能分量導致的脆性材料的裂紋擴展和交叉也少。由于剛玉質耐火材料一般具有高硬度,所以由粒子水平方向上切削造成的沖蝕是比較低的。隨著入射角度的增大,法向沖擊不斷增大,使材料表面或亞表面形成裂紋,裂紋在后序磨粒的持續作用下擴展,最終導致基質的流失。此外,從圖7還可以看出,在同一沖蝕角下,沖蝕磨損率隨磨粒尺寸的增大而增大。這是由于磨粒尺寸大,其沖擊動能也大,沖擊靶面的應力也增大,即增加了外表面的變形量,使得外表層顆粒脫落速率加快,沖蝕磨損率增加。圖7 沖蝕磨損率隨沖蝕角和磨粒粒度的變化(1#試樣,600℃)圖8為不同沖蝕角下沖蝕后剛玉質耐火材料的SEM照片。從圖8(a)切削留下的溝槽的顯微照片可以看出:剛玉質耐火材料在低沖蝕角時,由于磨粒的硬度比基質的硬度高,角狀的磨粒易對基質切削留槽。隨著沖擊角度的增加,由于樣塊基質吸收了沖擊粒子大部分的能量,塑性迅速耗盡。磨粒的大部分動能轉化為材料的彈性功、塑性功和裂紋擴展功;隨著變形量的增大,將導致微裂紋的成核、擴展,最終引起顆粒脫落。沖擊能量的增大,會誘發亞表層、甚至更深層的微裂紋張大、擴展(見圖8(b))。(1)剛玉質材料的抗沖蝕性能與水泥加入量密切相關,水泥加入量越多,材料的耐磨性能越差,最終確定為2%。(2)加入少量硅微粉有利于提高剛玉質耐火材料的抗沖蝕能力,以3%為宜。
(3)隨著沖蝕溫度的升高,剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率逐漸增大,在1000℃左右達到最大,繼續升高溫度,沖蝕磨損率反而降低。(4)剛玉質耐火材料的沖蝕磨損一般表現為較強的脆性沖蝕特征,其沖蝕磨損率隨沖蝕角的增大而增大;在同一沖蝕角下,大粒度磨粒對剛玉質耐火材料沖蝕磨損的影響要比小粒度磨粒大。
