高爐用半石墨質(zhì)炭塊耐壓強(qiáng)度檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

耐壓強(qiáng)度是衡量高爐用半石墨質(zhì)炭塊在靜態(tài)壓力負(fù)荷下抵抗破壞能力的核心力學(xué)性能指標(biāo)。其檢測原理基于材料力學(xué)中的壓縮強(qiáng)度理論，通過對規(guī)則幾何形狀的試樣沿特定軸向（通常為制品的成型加壓方向）施加連續(xù)、均勻遞增的壓縮載荷，直至試樣發(fā)生破裂或達(dá)到規(guī)定的形變。記錄此過程中的大載荷值（F），并根據(jù)試樣的原始橫截面積（A），通過公式 σ = F / A 計算出材料的耐壓強(qiáng)度。

科學(xué)依據(jù)在于：半石墨質(zhì)炭塊作為一種脆性材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由骨料顆粒、炭基質(zhì)及石墨化區(qū)域構(gòu)成，存在固有的微裂紋、氣孔等缺陷。在外部壓力作用下，應(yīng)力在缺陷處集中，當(dāng)局部應(yīng)力超過材料自身的結(jié)合強(qiáng)度時，微裂紋會擴(kuò)展、貫通，終導(dǎo)致宏觀破裂。耐壓強(qiáng)度測試正是模擬高爐內(nèi)襯在爐料重力、鐵水靜壓力、熱應(yīng)力以及操作波動等復(fù)雜載荷條件下的力學(xué)響應(yīng)，是評估其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和服役壽命的關(guān)鍵。

二、檢測項目

高爐用半石墨質(zhì)炭塊的檢測項目系統(tǒng)分類如下，其中耐壓強(qiáng)度為核心力學(xué)性能項目：

1. 物理性能檢測：

   • 耐壓強(qiáng)度：核心檢測項目，直接反映制品抵抗壓應(yīng)力破壞的能力。

   • 體積密度與顯氣孔率：通過阿基米德排水法測定，影響制品的導(dǎo)熱性、抗?jié)B透性和整體強(qiáng)度。

   • 抗折強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度）：評估制品抵抗彎曲應(yīng)力的能力，與耐壓強(qiáng)度互補(bǔ)，反映材料的韌性。

2. 熱學(xué)與高溫性能檢測：

   • 導(dǎo)熱系數(shù)：關(guān)鍵熱學(xué)性能，影響高爐熱平衡與爐殼溫度。

   • 熱膨脹系數(shù)：評估制品在加熱過程中的尺寸穩(wěn)定性。

   • 高溫耐壓強(qiáng)度：在模擬高爐工作溫度下測定，更能真實反映材料在服役狀態(tài)下的性能。

3. 化學(xué)性能檢測：

   • 灰分含量：影響制品的抗氧化性和高溫強(qiáng)度。

   • 固定碳含量：決定制品高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性的主要成分。

   • 元素分析：特別是對催化氣化有影響的雜質(zhì)元素（如K、Na、V等）含量。

三、檢測范圍

高爐用半石墨質(zhì)炭塊的耐壓強(qiáng)度及其他性能檢測，其應(yīng)用范圍覆蓋了從原材料到成品，再到服役評估的全鏈條：

1. 炭塊生產(chǎn)質(zhì)量控制：用于生產(chǎn)過程中原料配比、成型壓力、焙燒曲線及石墨化度的優(yōu)化與出廠檢驗。

2. 高爐設(shè)計與砌筑：為高爐內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計提供關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，確保設(shè)計安全裕度。

3. 高爐大修與壽命評估：通過對殘襯炭塊的性能檢測，分析爐襯侵蝕機(jī)理，評估剩余壽命，指導(dǎo)大修決策。

4. 新產(chǎn)品研發(fā)：在新材料、新配方或新工藝開發(fā)中，耐壓強(qiáng)度是評價其可行性的首要力學(xué)指標(biāo)。

5. 貿(mào)易與質(zhì)量仲裁：作為產(chǎn)品質(zhì)量符合性的客觀依據(jù)，遵循相關(guān)或貿(mào)易雙方約定的標(biāo)準(zhǔn)。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外針對高爐炭塊耐壓強(qiáng)度制定了詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，主要對比如下：

核心對比：現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T）與標(biāo)準(zhǔn)（如ISO）在原理和方法上已趨于統(tǒng)一，均強(qiáng)調(diào)對加載速率的精確控制，以確保數(shù)據(jù)的可比性和重復(fù)性。差異主要體現(xiàn)在試樣尺寸的細(xì)微規(guī)定和數(shù)據(jù)處理修約規(guī)則上。

五、檢測方法

以標(biāo)準(zhǔn)化的耐壓強(qiáng)度檢測方法為例，操作要點(diǎn)如下：

1. 試樣制備：

   • 從制品上鉆取或切割加工成規(guī)定尺寸（如50mm立方體）的試樣。

   • 試樣上下承壓面需平行，平整度有嚴(yán)格要求，必要時進(jìn)行研磨。

   • 測量試樣尺寸（精確至0.1mm），計算橫截面積。

2. 試驗步驟：

   • 將試樣置于試驗機(jī)下壓板中心，確保受力軸線與試樣軸線重合。

   • 施加預(yù)載荷（通常為預(yù)估破壞載荷的5%），以消除間隙并校準(zhǔn)對中。

   • 以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的恒定應(yīng)力速率（如0.5 MPa/s）連續(xù)均勻加載，無沖擊。

   • 記錄試樣破碎時的大載荷值（F）。

3. 操作要點(diǎn)：

   • 對中精度：不良對中會導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，結(jié)果偏低。

   • 加載速率：必須嚴(yán)格控制，速率過快會測得偏高的強(qiáng)度值。

   • 墊片使用：可在試樣與壓板間使用硬質(zhì)墊片（如碳化鎢），以分散局部應(yīng)力，避免壓板損壞試樣端面。

   • 環(huán)境條件：部分標(biāo)準(zhǔn)要求記錄試驗時的溫濕度。

六、檢測儀器

用于耐壓強(qiáng)度檢測的主要設(shè)備為微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)或電子萬能試驗機(jī)。

1. 主機(jī)框架：高強(qiáng)度框架，提供穩(wěn)定的加載空間，具有足夠的剛度和承載能力（通常遠(yuǎn)高于試樣的預(yù)期破壞載荷）。

2. 加載系統(tǒng)：

   • 電液伺服系統(tǒng)：力值大，剛性好，控制平穩(wěn)，適用于高噸位、高精度測試。

   • 伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)：控制精度高，響應(yīng)快，清潔環(huán)保，適用于中低噸位測試。

3. 測控系統(tǒng)：

   • 力傳感器：高精度、高穩(wěn)定性，用于實時測量載荷。

   • 位移傳感器（編碼器）：測量橫梁或活塞的位移，用于控制位移速率。

   • 控制器：核心單元，實現(xiàn)應(yīng)力、位移等多種模式的閉環(huán)控制，并能精確設(shè)定和控制加載速率。

4. 數(shù)據(jù)采集與處理軟件：自動采集力-位移數(shù)據(jù)，計算強(qiáng)度值，生成檢測報告，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與分析。

七、結(jié)果分析

1. 計算方法：

   • 耐壓強(qiáng)度 σ_c (MPa) = 大破壞載荷 F (N) / 試樣初始橫截面積 A (mm²)。

   • 通常以一組有效試樣（通常3-5個）的算術(shù)平均值作為終結(jié)果。

2. 有效性判定：

   • 檢查試樣破壞形態(tài)。典型的脆性材料破壞應(yīng)呈現(xiàn)為貫穿性的碎裂。若試樣僅在邊緣局部剝落或出現(xiàn)異常剪切破壞，可能預(yù)示對中不良或試樣內(nèi)部存在重大缺陷，該數(shù)據(jù)應(yīng)視為無效。

   • 計算單個結(jié)果與平均值的偏差，若超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍（如±10%），應(yīng)予以剔除并補(bǔ)測。

3. 評判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 符合性評判：將終平均值與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（如YB/T 2803-2015《高爐用炭塊》）或訂貨合同規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比，判定是否合格。例如，某級別半石墨質(zhì)炭塊要求耐壓強(qiáng)度不低于35MPa。

   • 趨勢性分析：在質(zhì)量控制中，長期跟蹤耐壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的變化趨勢，可以反映生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。強(qiáng)度值的異常波動可能源于原料變化、成型壓力不足或焙燒工藝異常。

   • 相關(guān)性分析：將耐壓強(qiáng)度與體積密度、顯氣孔率、灰分等指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。通常，耐壓強(qiáng)度與體積密度呈正相關(guān)，與顯氣孔率呈負(fù)相關(guān)。通過多指標(biāo)綜合分析，可以更全面地評估產(chǎn)品質(zhì)量和性能優(yōu)劣。