高溫蠕變

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貧困證明范文-胃風

2023年4月19日發(作者：關怎么組詞)鎂質耐火材料高溫蠕變特性的研究現狀
張國棟游杰剛劉海嘯羅旭東袁政禾
11112
1）遼寧科技大學鞍山 114044
2）鞍鋼集團耐火材料公司鞍山 114001
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摘要：本文介紹了鎂質材料高溫蠕變特性的研究現狀，并對鎂質耐火材料的高溫蠕變特性的
理論進行了闡述，同時指出了將鎂質蓄熱材料用在高爐熱風爐上的可行性。
關鍵詞：鎂質材料蠕變特性研究現狀

1、引言
高爐生產的大型化發展，要求熱風爐向著高風溫和長壽命的方向發展，為
了實現這一目標，除了熱風爐本體的大型化與更合理的結構以外，作為熱風爐中
的關鍵材料之一——蓄熱材料的發展將直接影響到熱風爐的使用溫度和使用壽
命。而高爐熱風爐對耐火材料的要求是：蓄熱體各層材料的選擇必須要在相應的
使用溫度下有很好的抗壓，蠕變性能，抗堿金屬蒸氣與煙塵侵蝕性能，抗溫度急
變而不破壞的性能；蓄熱體磚要有足夠歷史選修一高的換熱表面積以及有利于熱交換的幾何
形狀；蓄熱體材質要盡可能高的導熱系數以及材料體積比熱容。
目前，我國采用以AlO-SiO系材料的系列低蠕變磚，在熱風爐的頂部和
232
隔墻及蓄熱室的上部采用優質硅磚，中部應用不同牌號的低蠕變高鋁磚，下部采
用低蠕變粘土磚。鎂質材料與高鋁質和硅質材料相比具有良好的蓄熱性能和熱導
率以及很強的抗渣侵蝕性能；這些特點有利于熱風爐的高爐的大風量高風溫的操
作和降低高爐焦比，提高高爐利用系數，增加生鐵產量。但是，鎂質材料的熱震
性能差、抗壓蠕變性能不好，因此限制了這類材料在熱風爐上的使用。所以，提
高和改善鎂質材料的這兩方面性能是將鎂質材料應用到熱風爐上的關鍵。因此研
究鎂質材料的高溫蠕變性能對擴大我國鎂資源綜合利用和煉鐵產業有著重大的
意義。
2、蠕變理論
高溫蠕變理論是在對多種金屬所作的完整的蠕變試驗的基礎上建立起來
的。材料的高溫蠕變是指材料在恒定的高溫和一定的荷重作用下，產生的變形和
時間的關系。由于施加的載荷不同，耐火材料的高溫蠕變可以分為高溫壓縮蠕
[1]
變、高溫拉伸蠕變、高溫抗折蠕變、高溫扭轉蠕變等。其中壓縮蠕變和抗折蠕變

容易測定，所以應用較為普遍。但是實際材料的檢測中多使用高溫壓縮蠕變來評
價。高溫蠕變通常用變形量與時間的關系曲線（蠕變曲線）表示。典型豆的英文耐火材料
的高溫蠕變曲線可以分得三個階段，如圖所示：
ⅠⅢ
Ⅱ
蠕
變
變
形
率
3次蠕變
第一階段蠕變為第1次蠕變，又可稱為初期蠕變或減速如變，其蠕變曲線
的斜率（蠕變速率）隨時間的增加而減小，曲線愈來愈平緩；第二階段蠕變
d
?
dt
為第2次蠕變，又稱為均速蠕變或穩態如變，其應變速度和時間無關，幾乎保持
不變，此速率為蠕變曲線中的最小速率；第三階段蠕變為第3次蠕變，又稱加速
蠕變階段，該階段應變速率迅速增加直至材料損壞。
蠕變理論的基礎是晶體缺陷的運動，各種形式的晶體缺陷的運動都與熱活
化控制相關。針對材料的高溫蠕變，研究人員進行了大量的相關研究。并提出了
解釋材料產生蠕變的三種機理：1）擴散蠕變機理，該機理認為材料內部
[1234]
，，，
的空位濃度差是產生蠕變的主要原因；并且認為空位濃度的變化量與材料的外加
應力成正比，同時晶界對空位的消失和產生起主要作用；2）位錯運動機理；該
機理認為材料的蠕變是材料內部離子間的庫侖力作用的結果；同時指出了材料在
高溫和低溫時蠕變的速度和應力的關系是不同的；3）晶界滑移機理；該理論指
出：材料的蠕變與材料中的液相的關系。當材料中不存在液相時，蠕變速率與應
力的平方成正比，并且晶界旁邊的位錯變形支配整個過程；當材料中存在液相時，
材料的蠕變速率與應力的一次方成正比。
一般認為，陶瓷和耐火材料的蠕變變形是應力、時間t、溫度T及材
[5]
?
?
料結構因素S的函數：

(%)
2次蠕變
1次蠕變
彈性蠕變
時間 (time)
圖1 典型高溫蠕變曲線

?
=
f( , t, T, S)
?
其中，材料結構因素S包括材料的宏觀結構(即晶粒尺寸、氣孔率、相分布
等)和微觀結構(即晶體結構、點缺陷、位錯結、空位集團等)。擴散、位錯和晶界
滑移等理論模型都是基于單相料建立的，只含一個最簡單的結構因子——顆粒尺
寸。單材料在蠕變試驗過程中只有晶粒長大對蠕變速率的影響，多相耐火材料還
包括不同相的界面狀態、相變和給我一個微笑化學反應的影響。因而，到目前為止，討論耐火
材料的蠕變機理仍然還是一件十分復雜和困難的事情。
[7]
3、影響耐火材料高溫春節放鞭炮的來歷蠕變的因素
影響耐火材料高溫蠕變的因素是多方面的，而且許多因素又是相互聯系在
一起的。影響耐火材料蠕變變形的因素主要有以下幾點
[1.6]
溫度
荷重
使用條件
時間
氣氛性質
化學組成
材質
礦物組成
微觀結構（氣孔和晶粒的大小、形狀與分布）

通常認為：耐火材料的化學——礦物組成及其顯微結構決定了材料的抗蠕
變性能。一般說來，當材料的使用溫度升高，時間增加，荷重增大時，材料的蠕
變變形會增大；當材料的材質、溫度和荷重一定時，蠕變變形量和時間的平方根
成反比；在相組成基本確定的條件下，體積密度高、耐壓強度大、氣孔率低的制
品，其抗蠕變性能較好；高溫使用過程中材料中的晶相和液相的相對含量與分布
狀態，以及液相的黏度與對晶相的潤濕性能對材料的高溫蠕變性能影響很大，當
溫度升高，液相量的數量增加時，蠕變率增加，當液相不潤濕晶相時，晶相之間
能形成直接結合時，材料的蠕變變形小，當液相能潤濕晶相，晶相之間不能形成
直接結合時，材料的蠕變變形大；隨著材料中氣孔率的增加，材料承受有效載荷
的面積減少，材料的蠕變變形增加；材料中晶粒尺寸越小，材料的蠕變率越大，
所以單晶材料的抗蠕變率高于多晶材料。
4、鎂質耐火材料高溫蠕變性能的研究現狀
從研究影響材料的蠕變因素著手，研究者在鎂質材料的生產工藝、化學組成、

礦物組成，微觀結構等方面進行了大量的研究。
劉大成指出：增大鎂磚中鎂砂的臨界尺寸有利于改善材料的蠕變；增加晶
[8]
d
?
體的尺寸，有利于改善材料的蠕變，當鎂鋁尖晶石晶粒尺寸為2~5um時，=26.3
dt
d
?
10，而當晶粒尺寸為1~3mm時，=0.110；指出液相的多少和黏度對材
-5-5
dt
料的蠕變產生的重要影響；第二晶相的引入，有利于改善材料的蠕變；同時得出
了材料中的氣孔與材料的高溫蠕變的關系：
2
d
?
?(1?p)
3
?1
，；
式中的為材料的氣孔率
p
dt
同時指出：為了改善材料的高溫蠕變性能，應從改善材料的液相組成、材料
的燒成工藝與材料的使用條件著手。
石干和孫庚辰通過研究工藝條件變化對鎂質材料蠕變性能的影響得出：采
[9]
用鎂砂為主要原料，通過添加煅燒氧化鋁細粉在高溫形成原位鎂鋁尖晶石，可以
有效的阻止方鎂石晶粒的滑移，提高材料的蠕變性能；而預反應每鋁尖晶石細粉
的加入無助于提高材料的抗蠕變性能；鎂砂的純度越高，材料的抗蠕變性越強；
采用不同種類的鎂砂以及預合成尖晶石、煅燒氧化鋁細粉等為原料，可制備不同
使用溫度的系列低蠕變鎂質耐火材料制品。
木村修七等人研究了添加劑對氧化鎂的高溫蠕變后指出：BO和SiO的
[10]
232
液相存在晶界的系統中，隨著液相量的增加，蠕變速率增加；在鎂質材料中，當
CaO 的量稍有增加時，材料的蠕變速度變化不大，但是在白云石磚中，隨著CaO
的增加，材料的蠕變速率增加迅速；當FeO從0.5%增加到1.5%時，材料的蠕
23
變速度增加了4倍。洪學勤的研究認為：在鎂磚種SiO含量從0.3%增加到0.85
2
時，蠕變強度并未發生明顯的變化，但在CaO/SiO比增加到2. 5以上時，抗蠕
2
變性迅速降低；當FeO含量從0.5%增加到1.5%時，蠕變量增大約一個數量級，
23
原因是因為FeO會提高鎂磚中硅酸鹽相對晶文員個人簡歷粒的潤濕性，減少晶相結合，從而
23
降低鎂磚的抗蠕變強度；在高純鎂砂中加入0.1%的CrO就能使材料的蠕變速
23
率大大降低，其高溫蠕變速率比純MgO的蠕變速率還低一個數量級，原因是，
CrO會增加MgO與CS之間的結合程度；在MgO含量約為96%的鎂砂中加入
232
<6%的鋯英石(ZrSiO)，結果發現鎂砂的結合崗位職責范本相發生了改變，CMS (14989C)等低
4
熔點相轉變為CaZrO, MS和立方ZrO等高溫相，若ZrSiO的加入量>9%時，
3224

會使鎂砂的氣孔率升高，抗蠕變性能顯著降低。
遼寧科技大學近幾年對MgO-MgOAlO復合材料的研究表明：方鎂石—
23
[11]
尖晶石的熱容和導熱系數高于低蠕變高鋁磚、熱膨脹性能和低蠕變高鋁磚相近，
完全可以用于熱風爐。
5、結束語
鎂質耐火材料的蠕變性能取決于它本身的顯微結構特征，即主要依賴于兩
個因素：一是材料在高溫下的液相的數量和粘度，另一個是晶體間結合的程度和
方式。目前在這方面的研究已取得了一些進展，但是鎂質耐火材料的蠕變機理和
各種添加劑對鎂質材料的蠕變性能的影響還缺乏進一步的研究，這也可以作為我
們今后努力的一個方向，同時要想將這種材料應用到高爐熱風爐上，還必須得到
鋼鐵設計院工程設計師們的認可和支持。
參考文獻
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耐火材料學術會議論文集,中鋼集團洛陽耐火材料研究院,2007.209~212
蠕變機理
1.1位錯運動理論
該理論認為，耐火材料及陶瓷中的位錯在低溫下受到障礙而難以發生運動，
但在高溫下原子熱運動加劇，可以使位錯從障礙中解放出來而發生蠕變，溫度升
高位錯運動加劇可出現位錯沿滑移面運動的滑移和位錯垂直于滑移面運動的攀
移，從而導致材料宏觀上的變形，攀移過程通過擴散進行。
位錯運動蠕變機理蠕變速率表達式可表示為：

式中A 是常數，D是晶格擴散系數，b是柏格斯矢量，是施加應力，K是
L
波爾茲曼常數，T是溫度，G 是剪切模量，n是常數，n=3～5.
1.2擴散蠕變理論
該理論認為：高溫下的蠕變過程類似于晶體中的質點擴散現象，蠕變過程由
外力作用下、沿外方向的擴散控制。當材料受拉伸時，受拉和受壓晶界產生了空
位濃度差，受拉晶界上的空位就要向受壓晶界上遷移，而原子則朝相反的方向擴
散，結果導致受拉方向伸長使材料發生變形。當擴散是體擴散時，沿晶粒內部進
行稱為Nabarro―Herring蠕變，當擴散為晶界擴散，沿晶界進行時稱為Colle蠕
變。
1.3晶界滑移理論
耐火材料中存在大量的晶界，因相鄰晶粒的取向不同，晶界處存在為相差。
位相差較大時，晶界具有非晶體的性質，溫度升高時晶界粘度迅速下降，在外力
作用下導致晶界粘滯流動而發生蠕變。晶界滑移并非是一種獨立過程，在滑移過
程中還伴隨有其它過程的進行，滑移速率與晶界形狀密切相關。
以上介紹了蠕變的三個機理。對各種材料來說，蠕變機理可能有所不同，對
同種材料的不同溫度范圍蠕變機理也可能有所差異。決定多相材料蠕變速率的主
要因素是材料中的連續相，在大多耐火材料中連續相為三維晶態玻璃相，玻璃相
的形成是通過類似于Nabarro―Herring蠕變機理進行的，因為缺陷較多的玻璃結
構中位錯不可能運動，玻璃相的擴散速率比晶體高，玻璃相較分布在玻璃相中的
晶粒更易變形。此時，擴散將引起粘滯流動，這種粘滯流動在高溫小較小的應力
作用下就能發生。

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