連鑄用功能耐火制品關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)技術(shù)研究

連鑄用功能耐火制品，如長(zhǎng)水口、浸入式水口、塞棒及整體塞棒等，是鋼鐵連鑄過(guò)程中的關(guān)鍵部件，其性能直接關(guān)系到鑄坯質(zhì)量、生產(chǎn)安全與效率。對(duì)這些制品進(jìn)行精確、全面的參數(shù)檢測(cè)是確保其使用性能的核心環(huán)節(jié)。

一、 檢測(cè)原理

1. 熱學(xué)性能檢測(cè)原理：

   • 耐火度：基于材料在高溫下抵抗熔化的能力。將標(biāo)準(zhǔn)錐狀試樣與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫錐在特定條件下同時(shí)加熱，通過(guò)比較其彎倒程度來(lái)判定試樣的耐火度，本質(zhì)是材料在高溫下的化學(xué)礦物組成與液相生成溫度的體現(xiàn)。

   • 重?zé)€變化率：衡量材料在高溫下長(zhǎng)期使用的體積穩(wěn)定性。將試樣加熱至規(guī)定溫度并保溫一定時(shí)間后，冷卻至室溫，測(cè)量其線性尺寸的變化，其原理是材料在高溫下相變、燒結(jié)導(dǎo)致的不可逆膨脹或收縮。

   • 抗熱震性：評(píng)估材料抵抗溫度急劇變化而不破壞的能力。其原理基于材料在快速升降溫過(guò)程中，內(nèi)部與表面產(chǎn)生溫差，導(dǎo)致熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，便產(chǎn)生裂紋或斷裂。檢測(cè)方法（如水急冷法）即是模擬此熱應(yīng)力沖擊過(guò)程。

2. 力學(xué)性能檢測(cè)原理：

   • 常溫耐壓/抗折強(qiáng)度：分別反映材料在常溫下承受壓力負(fù)荷和彎矩負(fù)荷的大能力。通過(guò)向標(biāo)準(zhǔn)試樣施加連續(xù)增大的壓應(yīng)力或彎應(yīng)力，直至其破壞，記錄大載荷，并根據(jù)試樣尺寸計(jì)算強(qiáng)度值。其科學(xué)依據(jù)是材料內(nèi)部顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度、氣孔分布等微觀結(jié)構(gòu)對(duì)抗外力破壞的能力。

   • 高溫抗折強(qiáng)度：原理同常溫抗折強(qiáng)度，但在高溫環(huán)境下進(jìn)行，以評(píng)估材料在工作溫度下的力學(xué)性能。

3. 微觀結(jié)構(gòu)分析原理：

   • 顯氣孔率與體積密度：基于阿基米德排水法原理。通過(guò)測(cè)量試樣在空氣中的質(zhì)量、飽和水后在空氣中的質(zhì)量及在水中的質(zhì)量，計(jì)算得出其開(kāi)口氣孔所占體積百分比及單位表觀體積的質(zhì)量。這直接反映了材料的致密程度。

   • 孔徑分布：常采用壓汞法。利用汞對(duì)多數(shù)固體材料的不浸潤(rùn)性，需施加外力才能使汞進(jìn)入材料氣孔中。依據(jù)Washburn方程，施加的壓力與能進(jìn)入的孔半徑成反比，通過(guò)測(cè)量不同壓力下進(jìn)入孔中汞的體積，即可計(jì)算出材料的孔徑分布。

   • 顯微結(jié)構(gòu)分析：利用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡，觀察材料的物相組成、晶粒形貌與尺寸、氣孔與裂紋分布以及各相之間的結(jié)合情況，從微觀層面解釋宏觀性能。

4. 化學(xué)性能檢測(cè)原理：

   • 化學(xué)成分分析：采用X射線熒光光譜法等技術(shù)，利用樣品中元素受到激發(fā)后發(fā)射出特征X射線，其強(qiáng)度與元素含量成正比的原理，進(jìn)行定性與定量分析。這對(duì)控制原料純度、預(yù)測(cè)材料高溫行為至關(guān)重要。

二、 檢測(cè)項(xiàng)目

連鑄功能耐火制品的檢測(cè)項(xiàng)目可系統(tǒng)分類(lèi)如下：

1. 常規(guī)物理性能：

   • 體積密度、顯氣孔率、真氣孔率

   • 常溫耐壓強(qiáng)度、常溫抗折強(qiáng)度

   • 高溫抗折強(qiáng)度（通常檢測(cè)1100°C-1500°C范圍）

   • 線膨脹系數(shù)

2. 高溫使用性能：

   • 耐火度

   • 重?zé)€變化率

   • 抗熱震性（熱震穩(wěn)定性）

   • 抗鋼水/熔渣侵蝕性

   • 抗熱沖擊性（模擬開(kāi)澆瞬間的熱應(yīng)力）

3. 微觀結(jié)構(gòu)特性：

   • 物相組成（X射線衍射分析）

   • 顯微結(jié)構(gòu)（光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡分析）

   • 孔徑分布與比表面積

4. 化學(xué)成分分析：

   • 主成分含量（如Al?O?, SiO?, C, ZrO?等）

   • 雜質(zhì)成分含量（如Fe?O?, Na?O, K?O等）

三、 檢測(cè)范圍

檢測(cè)要求覆蓋所有連鑄用功能耐火制品，并針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域有特定側(cè)重：

• 長(zhǎng)水口/浸入式水口：關(guān)注抗熱震性、抗鋼水和熔渣侵蝕性、高溫抗折強(qiáng)度。對(duì)于鋁碳質(zhì)材料，碳含量及抗氧化劑含量是關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)。對(duì)于渣線部位含氧化鋯的材料，ZrO?含量及穩(wěn)定化程度是檢測(cè)。

• 塞棒/整體塞棒：除抗熱震性和抗侵蝕性外，其頭部的耐沖刷性和抗鋁堵塞性也是重要檢測(cè)項(xiàng)目。控制部位材料的體積穩(wěn)定性和強(qiáng)度至關(guān)重要。

• 三大件（長(zhǎng)水口、浸入式水口、塞棒）整體：需系統(tǒng)評(píng)估其各部位性能的匹配性與一致性，確保在連鑄過(guò)程中協(xié)同工作穩(wěn)定可靠。

應(yīng)用領(lǐng)域貫穿整個(gè)鋼鐵連鑄行業(yè)，包括普碳鋼、不銹鋼、高合金鋼等不同鋼種的連鑄生產(chǎn)過(guò)程，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與項(xiàng)目需根據(jù)所澆鑄鋼種的特性和連鑄機(jī)機(jī)型進(jìn)行調(diào)整。

四、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)連鑄功能耐火制品的檢測(cè)規(guī)范各有側(cè)重。

• /國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)：

  • ASTM (美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì))：系列標(biāo)準(zhǔn)非常詳盡，如ASTM C133用于常溫耐壓與抗折強(qiáng)度，ASTM C20用于顯氣孔率與體積密度（排水法），ASTM C583用于高溫抗折強(qiáng)度等。ASTM標(biāo)準(zhǔn)以方法標(biāo)準(zhǔn)為主，通用性強(qiáng)。

  • ISO (標(biāo)準(zhǔn)化組織)：如ISO 12676-1 耐火制品抗渣性測(cè)試方法等。ISO標(biāo)準(zhǔn)正逐漸成為通用標(biāo)準(zhǔn)。

  • JIS (日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))：如JIS R系列，其檢測(cè)方法在某些細(xì)節(jié)上與ASTM和ISO存在差異。

• 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T (標(biāo)準(zhǔn))：如GB/T 3001（耐火制品常溫抗折強(qiáng)度）、GB/T 3002（耐火制品高溫抗折強(qiáng)度）、GB/T 2997（顯氣孔率、體積密度）、GB/T 5988（重?zé)€變化）等。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系較為完整，基本覆蓋了主要性能參數(shù)的檢測(cè)。

  • YB/T (黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))：更為具體，如YB/T 4115（含碳耐火制品抗氧化性）、YB/T 370（耐火制品抗熱震性）等，更貼近鋼鐵行業(yè)用耐火材料的實(shí)際工況。

• 對(duì)比分析：

  • 共同點(diǎn)：核心檢測(cè)項(xiàng)目（如強(qiáng)度、密度、氣孔率、熱學(xué)性能）的原理基本一致。

  • 差異點(diǎn)：

    • 試樣規(guī)格與制備：ASTM、ISO與GB/T在標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸、形狀、取樣部位上可能存在細(xì)微差別。

    • 試驗(yàn)條件：如升溫速率、保溫時(shí)間、載荷施加速率等參數(shù)在不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可能不同。

    • 側(cè)重領(lǐng)域：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（尤其是YB/T）更側(cè)重于結(jié)合國(guó)內(nèi)鋼鐵和耐火材料產(chǎn)業(yè)的具體需求，而ASTM和ISO更具普適性。

  • 在實(shí)際檢測(cè)中，需根據(jù)產(chǎn)品用途、客戶要求或研發(fā)目標(biāo)明確所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

五、 檢測(cè)方法

1. 常溫力學(xué)性能：

   • 操作要點(diǎn)：試樣需精確加工至規(guī)定尺寸，棱角完整無(wú)缺損。加載壓頭或刀口與試樣接觸均勻，加載速率嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)控制，通常為恒定應(yīng)力速率或位移速率。

2. 高溫抗折強(qiáng)度：

   • 操作要點(diǎn)：使用高溫爐，爐膛內(nèi)需有均勻的溫度場(chǎng)。試樣在測(cè)試溫度下需有足夠的均熱保溫時(shí)間。加載裝置（如莫來(lái)石或碳化硅質(zhì)夾具）需能耐受測(cè)試高溫。測(cè)試需在保護(hù)氣氛（如氮?dú)猓┫逻M(jìn)行，防止試樣氧化。

3. 抗熱震性（水急冷法）：

   • 操作要點(diǎn)：將試樣加熱至預(yù)定溫度（如1100°C）并保溫，然后迅速浸入流動(dòng)的常溫水中急冷。取出干燥后，測(cè)量其抗折強(qiáng)度保留率或觀察表面裂紋情況。加熱溫度、保溫時(shí)間、水溫和急冷時(shí)間是關(guān)鍵控制參數(shù)。

4. 抗渣侵蝕性：

   • 操作要點(diǎn)：常用靜態(tài)坩堝法或旋轉(zhuǎn)浸漬法。將一定量的煉鋼熔渣置于試樣凹槽或與試樣棒接觸，在高溫下保溫一定時(shí)間。冷卻后剖開(kāi)試樣，測(cè)量熔蝕深度和滲透深度，并觀察界面反應(yīng)層微觀結(jié)構(gòu)。

5. 顯氣孔率與體積密度（排水法）：

   • 操作要點(diǎn)：試樣需充分飽和介質(zhì)（通常為水），煮沸法或真空法排除開(kāi)口氣孔中的空氣是關(guān)鍵步驟。稱重過(guò)程需迅速準(zhǔn)確，防止試樣表面水分蒸發(fā)。

六、 檢測(cè)儀器

1. 力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：用于常溫/高溫耐壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試。技術(shù)特點(diǎn)包括高精度載荷傳感器、高剛性的機(jī)架、精確的十字頭速度控制。高溫試驗(yàn)機(jī)需配備高溫爐、溫度控制系統(tǒng)和保護(hù)氣氛系統(tǒng)。

2. 高溫爐：用于耐火度、重?zé)€變化、高溫性能測(cè)試等。核心特點(diǎn)是能達(dá)到所需高溫度（通常≥1600°C），并具備良好的溫度均勻性和精確的溫控系統(tǒng)。

3. 熱膨脹儀：用于測(cè)量線膨脹系數(shù)。采用推桿式結(jié)構(gòu)，通過(guò)高精度位移傳感器測(cè)量試樣在程序控溫下的長(zhǎng)度變化。

4. 壓汞儀：用于孔徑分析。技術(shù)關(guān)鍵在于高壓力發(fā)生與控制系統(tǒng)（可達(dá)數(shù)百兆帕）以及精確的汞注入量測(cè)量系統(tǒng)。

5. 顯微鏡系統(tǒng)：包括體視顯微鏡、金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）。SEM配合能譜儀（EDS）可實(shí)現(xiàn)微區(qū)成分分析，是研究侵蝕機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)的利器。

6. X射線熒光光譜儀（XRF）：用于化學(xué)成分快速、精確分析。

七、 結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)有效性判斷：

   • 檢查測(cè)試過(guò)程是否嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)方法，環(huán)境條件、儀器狀態(tài)、操作步驟是否符合要求。

   • 觀察試樣破壞形態(tài)是否正常，排除因試樣制備缺陷或操作失誤導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)。

2. 性能關(guān)聯(lián)性分析：

   • 微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性能：高氣孔率通常導(dǎo)致強(qiáng)度下降，但可能有利于抗熱震性。細(xì)小均勻的孔徑分布有助于提高抗侵蝕性。通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)分析，可以解釋強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性、抗侵蝕性等宏觀性能的優(yōu)劣。

   • 化學(xué)成分是性能基礎(chǔ)：C含量影響鋁碳制品的導(dǎo)熱性和抗侵蝕性；ZrO?的相變?cè)鲰g作用能顯著改善抗熱震性；雜質(zhì)成分會(huì)降低材料的高溫性能。

3. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 符合性評(píng)判：將檢測(cè)結(jié)果與產(chǎn)品技術(shù)條件、企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)或供需雙方合同約定的指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，判斷是否合格。

   • 對(duì)比性評(píng)判：對(duì)不同批次、不同配方或不同工藝生產(chǎn)的制品檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，用于質(zhì)量控制、工藝優(yōu)化和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

   • 預(yù)測(cè)性評(píng)判：基于檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合理論模型和經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)制品在實(shí)際連鑄過(guò)程中的使用壽命和可能失效模式。例如，抗熱震性指標(biāo)差預(yù)示著開(kāi)澆時(shí)易開(kāi)裂；高溫抗折強(qiáng)度低可能在使用中發(fā)生斷裂。

綜上所述，對(duì)連鑄功能耐火制品進(jìn)行系統(tǒng)、深入的參數(shù)檢測(cè)，是連接材料研發(fā)、生產(chǎn)制造與終工業(yè)應(yīng)用不可或缺的橋梁。通過(guò)的檢測(cè)、科學(xué)的分析和正確的評(píng)判，才能持續(xù)提升產(chǎn)品質(zhì)量，滿足現(xiàn)代連鑄技術(shù)日益苛刻的要求。