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耐火材料的热应力研究现状

文章编辑:耐火材料 发表时间:2020-03-21 浏览次数:
耐火材料一般是指耐火度不低于1580℃的材料。一般是由无机非金属材料组成的材料及制品,不燃烧和火烧不 熔化的材料一般都应属于广义上的耐火材料。例如,在超过1000度的高温工作环境下,建筑物中由砖、瓦、泥、砂等 构成的构件都难以损坏,这些材料就可以称之为是耐火材料。

耐火材料的主要应用于冶金、机械、化工、建材等行业的高温容器件之中,它的使用状况直接决定了这些重要设 备的使用寿命,并且最终影响整个生产流程的正常运行。

耐火材料随着温度的变化会产生较大的热应力,直接导致其损坏以致功能失效。热应力又经常被人们称之为温度 应力,产生热应力的原因是有很多的:

(1)边界约束条件使得结构体构件的热膨胀或收缩受到外界约束;

(2)结构体的构件之间存在着温度差;

(3)结构体每个构件内部各部位间存在着温度梯度;

(4)构件有多重不同材料组成,而不同的材料拥有不同的热膨胀系数;

(5)材料内部存在着夹杂;

(6)材料具有各向异性。

热应力同时具有以下的主要特点:

(1)热应力的大小与边界约束直接相关,一般会随约束程度的增加而增大。一般材料的热膨胀系数、杨式模量及 泊松比等参数会随着温度变化而产生变化,温度的变化量会影响热应力的大小,同时初始温度也会对其热应力具有一 定程度的影响;

(2)热应力与外部施加的载荷相平衡,各部位均会产生热变形,但同时又受到约束条件的限制,一般在温度高处 发生压缩变形,温度低处发生拉伸形变;

(3)热应力具有自我限制性,屈服流动或高温蠕变会使热应力降低,热应力不会使塑性材料产生构件断裂,但交 变热应力会使构件产生疲劳失效或塑性变形累积,随着时间的推移,最终发生断裂。

耐火材料热应力的研究相对来说比较复杂,由于计算机的快速发展,从上个世界90年代初开始,利用有限元进行 温度场和热应力的分析逐渐被引入到国内外耐火材料结构研究中来。

在1822年,英国人首次制造出硅质耐火材料,他们应用了南威尔士尼斯各的迪纳斯砂岩为原料,石灰结合剂制 造硅砖。

美国最早制造硅砖是1866年在俄亥俄州阿克郎制造的。俄罗斯在19世纪80年代曾组织彼得堡奥布豪夫斯克 姆厂等生产硅砖,第一个专门生产硅砖的工厂是顿巴斯捷康斯基硅砖长于1889年建成的。日本于1892年在三河猿投 山发现硅石,然后在品川耐火材料公司生产硅砖。 碳化硅则是在1891年由艾契逊偶然发现。最早是利用其硬度做为人造磨料。在此之后,与1893年开始被用作高 温材料,特别是利用其高温导热性,高温高强度等优良特性,被广泛用作耐火材料。碳化硅具有热传导率高、热膨胀 率低、与炉渣难以反应等许多通常氧化物原料所没有的特性。为此,常作为与炉渣接触及高温剥落严重部位的耐火材 料的主要原料。在不定形耐火材料中也是一样,从以捣打料和可塑料为主的时代到以低水泥浇注料为主的现在,碳化 硅的重要性没有改变。

1903年,法国和比利时在碳化硅砖的研制上去的了重大的突破。

最先使用有限元法对转炉的炉底砖进行热应力分析计算研究,研究结果表明,在相对平坦的 炉衬结构中为避免热应力过大,平直砌筑内衬在三种砌筑结构中(环形砌筑、人字型和平直砌筑)是最好的;带4个风眼的 砌筑结构热应力大于在带3个风眼的3种砌筑结构。 KNSing等首先通过测量得到了耐火材料的温度梯度,应用有限元分析的方法来来计算热应力。当热梯度应力大 于砖的耐压强度时,会导致砖产生断裂,因此提出将升温速度从25/min℃减少12/min℃,可使升温时的热梯度应力减少到低于使砖断裂的程度,并能有效防止砖的剥落,提高耐火材料的使用寿命。

利用大型有限元软件ANSYS对鼓风炉体的耐火材料进行温度、应力的数学建模,指出在高温表面附 近存在压应力场,因为在这里的热膨胀系数很大,而这一膨胀受到低热膨胀系数的相反表面的约束,在那儿产生的是 拉应力场。由此提供了通过喷补降低耐火砖温度与内应力的方法。

运用三维有限元法分析附着力及振动力作用下铝碳质长水口。首先,建立了三维的有限元计算模型, 测得长水口及顶部材料的性能(热传导率,比热,体密,弹性模量,泊松比和热膨胀率),确定热临界条件,机械临界 条件;应用有限元模型计算预热温度、振动位移及附着力的影响,热应力与机械应力的影响,热应力降低与峰点位置变 化,水口内壁不接触钢水区域对机械应力的影响,得出防止水口开裂的有效措施。

用有限元法计算热态下滑板的热应力,改变滑板的形状,并比较了旧型滑板和新型滑板,结果表明新 型滑板工作面最大的张应力要低,并且压应力区域比较宽广,因此能有效减少裂纹形成和扩展,滑板寿命提高了30%- 40%。

通过对温度从950℃到110℃变化的水淬实验的仿真,对Al2O3含量在28%到78%之间的不 同高铝质耐火材料的抗热冲击能力进行分析。找到了通过线性应力分析评价材料抗热震性的方法,通过实验值与理论 方程计算值的比较证明了其正确性,并将其用于耐火材料砖的外形设计。

陶瓷耐火材料热残余应力的影响进行仿真分析。分析表明:耐火结构的裂纹是从结构的中心区域开 始的,在热应力和残余应力的综合作用下实现完全开裂。比较了考虑和不考虑残余应力下的耐火材料结构热变形与热 应力分布的不同。定义了消除残余应力裂纹增强抗热应力能力的温度加载模式。

就隔热系统的温度梯度与氧化作用对热应力的影响进行分析。其研究指出温升氧化不会影响ZrO2 材料结构的温度场,但对莫来石材料结构的温度场有作用。考虑了温升氧化后的残余应力远大于未考虑温升氧化后的 残余应力,温升氧化能将周向残余应力从拉伸状态改变为压缩状态。不同材料由于其物性参数的不同可能导致热应力 的性质也不同。模型的几何半径不但可以影响热应力的大小,也可以影响热应力的方向和性质。冷却速率对残余应力 的影响归因于瞬态分析模型的材料在高温下的高蠕变率,当在较低温度下时,这一影响很小。

通过多年不断完善其有限元模型,对耐火材料结构的温度场与应力场进行了长期的研究。在其研究 中认为,由于锚固件的巨大热膨胀,钢锚固件附近的耐火材料在第一次加热过程中的应力场是很关键的,可能引起耐 火材料结构的失效。但锚固件对耐火材料的破坏效果也主要反映在第一次加热过程中,此后的温度变化对其的破坏与 第一次加热过程相比要微弱得多。针对复杂的耐火材料衬结构采用子结构法,利用自定义的双层复合壳单元来替代含 有金属衬、耐火材料、锚固件的内部结构进行热应力仿真,简化了分析的过程与难度,具有很好的实用价值。 国内在耐火材料热应力方面数值模拟虽然起步较晚,但发展势头迅猛,也做了大量的研究工作,取得了较好的研 究结果。

从性能测试的条件出发,分析了温度、应力、时间作用下耐火材料物理性能之间的内在关系,为 耐火材料结构的仿真提供基础。等对钢包结构的耐火材料层进行了开拓性仿真分析,并强调耐火材料形状结构 的合理设计对耐火材料的最终使用寿命具有重要意义,而有限元法为此提供了科学的依据,具有广阔前景。 应用有限元法对高炉结构的温度场与应力场进行了轴对称仿真分析,并据此给出若干种高炉结构改良的方案。从分析 中认为,合理地设置炉体的膨胀间隙可控制炉壳的最大应力水平,应在保证炉衬稳定的情况下尽可能取最大值。炉壳 内外表面的等效应力显著不同,炉壳外表面的等效应力通常大于内表面。炉壳部分位置的温度可能超过材料的蠕变温 度而造成蠕变变形,汽雾冷却是有效避免这一问题的好方法。张德臣等利用有限元法分析耐火砖的热应力和变形[1 7]。在其分析之中认为耐火砖在距离热面1/3砖长的位置的横截面上,出现应力峰值,即该部位热应力最大,该截面 是危险面。

使用有限元法分析计算了在鱼雷罐受铁和倒铁过程中的单砖热应力和工作层整体热应力 分布。根据计算结构推测出应力危险区域,用于研究热冲击对鱼雷罐砖衬工作层的破坏作用。结果表明:在鱼雷罐柱 体与锥台结合部位压应力最大,压应力促使裂纹扩展,导致这个部位的耐火砖容易剥落。受铁时耐火砖产生平行于热 面的裂纹,倒罐时耐火砖在四条棱上产生平行于热面的裂纹。杜钢等探讨热应力对不同材质构成的高炉炉缸砖衬的破 坏作用,在计算温度场的基础上,应用热弹性理论和有限元法对高炉炉缸进行应力分布计算。计算结果表明:在用具 有不同的导热性能和力学性能的耐火材料砌筑的炉缸内存在5着应力集中现象,这是导致高炉炉缸破损的主要原因之 一。

可以说随着计算机近三十年来的飞速发展,使得一些复杂的计算成为可能,ANSYS就是其中的代表,本文对于 耐火砖的温度场和应力场的计算也正是采用了这款软件,有限元法是一种离散化的数值计算方法。单元和单元之间在 离散后只通过节点相联系,位移、应力、温度等变量都通过节点进行计算。,选择适当的插值函数,使得单元在子域 内部、子域分界面上以及子域和外界分界面上全都满足边界条件。然后把所有单元的方程组合起来,得到整个构件的 方程组。求解方程组,就可以得到方程的近似解。 通过实验的方法确实可以得到大量真实准确的数据,可以为分析研究提供坚实的基础,但是这种方式的缺点也比 较明显,就是需要消耗大量的时间与精力,同时还会消耗大量的资金,而且对于某些条件下的实验是难度很大的,而 采用ANSYS数值模拟的方法进行研究时,就没有这些方面的限制,可以施加任意的条件进行求解,但是它也存在着一 定的局限性,在某些情况下的计算结果不够准确,只能够大致的得到温度场和应力场的变化趋势,所以我们一般先采 用数值模拟的方法进行计算求解,得到所需物理量的变化规律,然后有针对性的做实验,通过实验的结果反过来进行 印证。

郑州信科耐火材料有限公司将始终秉行“以市场为技术导向,以质量为发展根本,以"合作互利、共同发展"的经营理念为根基,深受国内外众多客户的信赖与支持,郑州信科耐火材料有限公司愿与行业同仁一道共谋发展大计,共创事业辉煌。

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