玻璃熔窯用熔鑄鋯剛玉耐火制品體積密度檢測技術研究

一、檢測原理

體積密度是表征耐火制品致密程度的關鍵物理指標，定義為干燥試樣的質量與其總體積（包括開口氣孔和封閉氣孔）的比值。其檢測原理基于阿基米德排水法，核心是精確測定試樣在空氣中的質量與在浸漬液體中的表觀質量。

技術原理與科學依據：

1. 阿基米德原理： 物體在液體中所受的浮力等于其排開液體的重量。將試樣完全浸入已知密度的浸漬液體中，通過測量其質量減少量（即浮力），可計算出試樣排開液體的體積，該體積即為試樣的總體積。

2. 液體浸漬法： 為確保體積測量的準確性，必須使浸漬液體充分填充試樣的開口氣孔。通過抽真空或煮沸的方式，排除開口氣孔中的空氣，使液體完全滲透。此時，試樣在液體中的懸浮質量僅對應于其固體骨架和封閉氣孔的體積。

3. 計算公式： 體積密度 (ρ_b) 計算公式為：ρ_b = m_d / V_t。其中，m_d 為干燥試樣的質量，V_t 為試樣的總體積。V_t 通過 V_t = (m_sat - m_sus) / ρ_l 計算得出，m_sat 為飽和試樣在空氣中的質量，m_sus 為飽和試樣在浸漬液體中的表觀質量，ρ_l 為試驗溫度下浸漬液體的密度。

二、檢測項目

玻璃熔窯用熔鑄鋯剛玉制品的檢測是一個系統(tǒng)性工程，體積密度是核心物理檢測項目之一，需與其他項目協(xié)同評估。

1. 物理性能檢測：

   • 體積密度與顯氣孔率： 直接反映制品的燒結程度和抗侵蝕、抗?jié)B透能力。

   • 常溫耐壓強度： 衡量制品承受機械載荷的能力。

   • 熱震穩(wěn)定性： 評估制品抵抗溫度急劇變化而不破壞的能力。

   • 導熱系數： 影響窯爐熱效率和池壁保溫設計。

2. 化學組成分析：

   • 主成分分析 (ZrO?, Al?O?, SiO?)： 確定制品的相組成和基本性能。

   • 雜質含量分析 (Fe?O?, TiO?, Na?O 等)： 雜質影響制品的耐火度、抗侵蝕性和玻璃相滲出溫度。

3. 微觀結構分析：

   • 相組成分析 (XRD)： 確定主晶相（剛玉、斜鋯石、玻璃相）的種類和含量。

   • 顯微結構觀察 (SEM/EDS)： 分析晶粒形貌、尺寸分布、晶間結合狀態(tài)及玻璃相分布。

三、檢測范圍

體積密度檢測覆蓋了玻璃工業(yè)所有使用熔鑄鋯剛玉耐火材料的環(huán)節(jié)，具體要求因應用部位而異。

1. 平板玻璃熔窯：

   • 池壁磚： 要求極高的體積密度和低顯氣孔率，以抵抗玻璃液的長期靜壓和化學侵蝕。

   • 上層池壁、胸墻、小爐口： 對抗侵蝕和抗熱震有綜合要求，體積密度需保持在高水平。

   • 流道、流液洞： 承受高速玻璃液流沖刷，要求結構高度致密。

2. 日用玻璃、玻璃纖維熔窯：

   • 根據熔融玻璃的堿性和溫度，對制品的致密性和化學穩(wěn)定性有相應要求，體積密度是基礎保障。

3. 特種玻璃熔窯（如電子玻璃、光學玻璃）：

   • 對耐火材料的要求極為苛刻，要求體積密度極高且均勻，以防止產生結石、氣泡等缺陷。

四、檢測標準

國內外標準對體積密度檢測方法的規(guī)定基本一致，但在細節(jié)和產品分級上存在差異。

對比分析： 核心原理均為阿基米德排水法。主要差異可能體現(xiàn)在：浸漬液體的選擇（通常為蒸餾水或去離子水）、飽和方法（抽真空壓力與持續(xù)時間、煮沸時間）、稱量裝置的精度要求以及結果修約規(guī)則。執(zhí)行檢測時，需嚴格遵循目標市場或客戶指定的標準。

五、檢測方法

以GB/T 2997 (ISO 5017) 標準為例，主要檢測方法及操作要點如下：

1. 試樣制備：

   • 從制品上切取或鉆取具有代表性的試樣，體積通常為50-200 cm³。

   • 試樣應無裂紋、缺角等明顯缺陷，棱角需適當倒鈍，避免在沸騰時碰撞損壞。

   • 試樣需在110±5℃下干燥至恒重，并在干燥器中冷卻至室溫。

2. 飽和處理：

   • 抽真空法（首選）： 將干燥試樣置于真空容器中，抽真空至絕對壓力低于2.5 kPa，并保持至少15分鐘。然后在維持真空狀態(tài)下，緩慢注入足量浸漬液體直至完全淹沒試樣，繼續(xù)抽真空5分鐘后，恢復常壓，試樣在液體中繼續(xù)浸泡至少30分鐘。

   • 煮沸法： 將試樣完全浸入液體中，加熱至沸騰并保持2小時以上，隨后緩慢冷卻至室溫，確保試樣始終浸沒在液體中。

3. 稱量操作：

   • 飽和試樣表觀質量 (m_sus)： 將飽和試樣懸掛在天平下，完全浸入浸漬液體中，稱量其表觀質量。吊籃和懸掛裝置應預先浸沒以消除氣泡。

   • 飽和試樣在空氣中質量 (m_sat)： 從液體中取出飽和試樣，用飽和的濕毛巾快速擦去表面液膜（防止開口氣孔中液體被吸出），立即稱量。

   • 干燥試樣質量 (m_d)： 即為前處理后的干燥質量。

4. 操作要點：

   • 整個稱量過程需迅速，特別是m_sat，以減少液體蒸發(fā)帶來的誤差。

   • 浸漬液體的密度需在使用溫度下精確已知或實時測量。

   • 確保試樣在浸漬和稱量過程中無氣泡附著。

六、檢測儀器

1. 電子分析天平：

   • 技術特點： 必須具備足夠的稱量容量和分辨率（通常精度為0.001g或更高），并配備密度測定專用吊籃支架。應具有良好的抗干擾能力和溫度穩(wěn)定性。

2. 真空飽和裝置：

   • 技術特點： 由真空容器、真空泵和壓力控制儀表組成。真空泵應能達到并維持標準要求的真空度。容器需耐壓、密封性好。

3. 煮沸裝置：

   • 技術特點： 采用耐熱玻璃或其它耐腐蝕材料制成的燒杯或容器，配備可調溫的加熱板或電爐。

4. 輔助設備：

   • 恒溫干燥箱、干燥器、溫度計（用于測量液體溫度）、細毛刷、濕毛巾等。

七、結果分析

1. 分析方法：

   • 根據稱量得到的m_d, m_sat, m_sus以及液體密度ρ_l，嚴格按照標準公式計算體積密度ρ_b。

   • 通常要求對同一制品的多個試樣進行平行測試，取算術平均值作為終結果。

   • 計算標準偏差或變異系數，以評估數據的離散程度和制品的均勻性。

2. 評判標準：

   • 符合性評判： 將測得的體積密度值與產品標準（如GB/T 4983《熔鑄鋯剛玉耐火制品》）或訂貨合同中的技術協(xié)議規(guī)定值進行比對，判斷是否合格。

   • 質量關聯(lián)分析：

     • 高體積密度： 通常意味著制品結構致密，開口氣孔和封閉氣孔少，這有助于提高制品的機械強度、抗玻璃液侵蝕性和抗?jié)B透性。對于玻璃熔窯關鍵部位，體積密度是至關重要的指標。

     • 體積密度偏低或不均勻： 表明制品內部存在較多氣孔或縮孔，這可能是生產工藝（如澆注、退火）控制不當所致。此類制品在使用中易成為侵蝕的薄弱點，縮短窯爐壽命。

     • 結合其他指標： 需與顯氣孔率、化學分析、微觀結構觀察等結果相結合，綜合判斷制品的內部質量、相組成分布的均勻性，從而全面評估其使用性能和使用壽命預期。例如，即使體積密度達標，但若微觀結構顯示玻璃相分布不均或晶界結合弱，其抗侵蝕性能也可能不理想。