耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法國際標(biāo)準(zhǔn)制定中的問題和應(yīng)對措施

王秀芳 彭西高 楊金松 王戰(zhàn)民

中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司先進(jìn)耐火材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽471039

耐火材料從生產(chǎn)、使用到廢棄或再利用的周期中，不斷經(jīng)受溫度波動，由于熱沖擊而導(dǎo)致耐火材料的損毀是材料消耗的主要因素?？篃嵴鹦允悄突鸩牧现匾氖褂眯阅苤唬碚鞑牧系目篃嵴鹦砸话惆▋蓚€(gè)要素：試樣經(jīng)受的熱循環(huán)次數(shù)和熱震損傷程度［1-5］。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，試樣的加熱通常采用電阻爐，而試樣的冷卻一般采用水浴中淬冷、壓縮空氣急冷和自然空氣冷卻。評價(jià)熱震損傷程度通常是測量熱震后試樣的受熱面破損程度、質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率、聲速損失率等。

1 國內(nèi)外抗熱震試驗(yàn)方法

目前，國內(nèi)外多種抗熱震性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 抗熱震性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

按冷卻介質(zhì)不同，抗熱震性試驗(yàn)方法一般分為3類：第一類是水急冷法，如：GB/T 30873—2014中的方法一和方法二、YB/T 376.3—2004、DIN 51068—2008、JIS R2657：1995方法一、BS 1902—5.11：1986均屬此類，適用于致密且不與水反應(yīng)的材料。第二類是壓縮空氣急冷法，即冷卻介質(zhì)為壓縮空氣，GB/T 30873—2014方法二、EN 993—11：2007均屬此類，適用于堿性耐火制品、硅質(zhì)耐火制品、熔鑄耐火制品、以及與水作用或熱震次數(shù)少而難以判定抗熱震性優(yōu)劣的耐火制品，同時(shí)也適用于致密硅酸鋁質(zhì)耐火材料，但測得的抗熱震次數(shù)與水急冷法測得的抗熱震次數(shù)不同；不適用于顯氣孔率大于45%的耐火材料。第三類是空氣自然冷卻法，即冷卻介質(zhì)為空氣，GB/T 30873—2014方法四、JB/T 3648.1—1994屬此類，適用于輕質(zhì)隔熱制品，即真氣孔率大于45%的耐火材料。

按結(jié)果評價(jià)方法分兩大類：第一類是根據(jù)達(dá)到某種破壞情況的熱震次數(shù)來評價(jià)。破壞情況包括受熱端面破損率達(dá)到50%或以上，GB/T 30873—2014方法一，JIS R 2657：1995屬此類；質(zhì)量損失超過20%，GB/T 30873—2014方法四屬此類；試樣裂成兩塊或以上，GB/T 30873—2014方法二、DIN 51068-2008屬此類；出現(xiàn)可見裂紋，YB/T 376.3—2004屬此類；不能經(jīng)受0.3 MPa的彎曲應(yīng)力，GB/T 30873—2014方法三屬此類等。第二類是根據(jù)熱震前后某種性能的變化情況評價(jià)，包括殘余抗折強(qiáng)度、聲速損失率等，YB/T 4018—1991、ASTM C1171—2015屬此類。

2 國際標(biāo)準(zhǔn)制定中出現(xiàn)的問題和應(yīng)對措施

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)制定的基本流程

按照國際標(biāo)準(zhǔn)的制定程序，從立項(xiàng)（NP）開始，一般經(jīng)過委員會草案階段（CD）、詢問階段（DIS）、批準(zhǔn)階段（FDIS）和出版階段（IS）等，從提出項(xiàng)目建議到正式出版一般至少36個(gè)月，最多不超過48個(gè)月。

2016年5 月，我國根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)中抗熱震性試驗(yàn)方法缺失的情況，適時(shí)提出了制定國際標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)申請，2016年8月20日通過ISO立項(xiàng)投票（NP階段）；2018年5月25日，通過委員會草案（CD階段）；2019年11月15日，通過國際標(biāo)準(zhǔn)草案投票（DIS階段）；2020年9月2日，通過最終國際標(biāo)準(zhǔn)草案投票（FDIS階段），2020年10月7日，ISO 21736—2020《耐火材料抗熱震性試驗(yàn)方法》正式出版。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

該國際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目是依據(jù)我國已經(jīng)發(fā)布實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30873—2014提出的，主要包含3種試驗(yàn)方法：水急冷法，壓縮空氣急冷法，空氣自然冷法，這3種方法在中國被廣泛使用，也在國際上有一定的使用區(qū)域。所以，在立項(xiàng)投票階段，ISO/TC33的P成員國（共計(jì)16個(gè)）中有10個(gè)國家投票贊成，認(rèn)為十分有必要立項(xiàng)，并有澳大利亞、中國、法國、德國、日本、英國、美國等7個(gè)國家推薦專家參加該項(xiàng)目工作。

該標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法測量的均是材料在極端試驗(yàn)條件下的損壞情況，而非模擬使用條件下的損毀情況。3種試驗(yàn)方法原理不同，使用設(shè)備不同，結(jié)果的評價(jià)方法也不一樣，分別適用于不同的產(chǎn)品類型，其測試結(jié)果無可比性。不同試驗(yàn)方法的測定結(jié)果見表2，可以看出，同樣的產(chǎn)品如果采用不同的試驗(yàn)方法，其抗熱震次數(shù)完全不同。

表2 不同類型材料在不同試驗(yàn)條件的抗熱震性結(jié)果

針對3個(gè)不同試驗(yàn)方法的適用范圍，在立項(xiàng)階段，澳大利亞、英國、日本、美國等提出，應(yīng)充分評價(jià)不同試驗(yàn)方法的特點(diǎn)，吸收現(xiàn)有各國試驗(yàn)方法的技術(shù)內(nèi)容和實(shí)際使用效果，保障新制定標(biāo)準(zhǔn)的廣泛適用性。為此，在標(biāo)準(zhǔn)的范圍一章明確指出不同方法適用于不同的產(chǎn)品類型，相關(guān)方可以協(xié)商選擇。

2.3 水急冷試驗(yàn)方法的問題和說明

2.3.1 試樣不同位置試驗(yàn)結(jié)果的一致性

在水急冷試驗(yàn)方法中，標(biāo)準(zhǔn)4.4.1規(guī)定試樣與試樣間距不小于10 mm，設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮滿足方法的要求，試樣由夾持器固定，盡可能保持試樣間距統(tǒng)一。

澳大利亞提出，由于試樣間距的限制，可能存在3個(gè)試樣受熱不均導(dǎo)致的結(jié)果差異。為此，統(tǒng)計(jì)了國家耐火材料質(zhì)檢中心2012—2018年的水急冷法抗熱震試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室共進(jìn)行水急冷抗熱震性檢測1 310批次，其中，722批次3塊樣品同時(shí)達(dá)到客戶規(guī)定的抗熱震性試驗(yàn)次數(shù)而終止試驗(yàn)，474批次客戶只提供一塊或兩塊樣品，只有114批次試驗(yàn)中有3塊樣品且不是同時(shí)損毀，其中，第一塊樣品首先損毀的數(shù)量為36批次，占比31.6%，中間樣品首先損毀的數(shù)量為38批次，占比33.3%，第三塊樣品首先損毀的數(shù)量為30批次，占比26.3%?？梢钥闯觯嚇釉诓煌恢檬芾錈釠_擊損壞的概率是一樣的，試樣的抗熱震性結(jié)果相差無幾。

進(jìn)一步的驗(yàn)證試驗(yàn)也表明，3塊樣品同時(shí)試驗(yàn)時(shí)損毀結(jié)果是隨機(jī)的。10 mm的間距可以滿足試驗(yàn)的要求，不會對試驗(yàn)結(jié)果造成不利影響。

2.3.2 樣品尺寸

理論上說，直形磚都可以進(jìn)行試驗(yàn)，考慮不同尺寸的試樣體積不同，熱容量不同，為保證結(jié)果的一致性，將該標(biāo)準(zhǔn)中4.3.2試樣尺寸，由230 mm×114 mm×（65～75）mm 修改為標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸230 mm×114 mm×64（74）mm。

2.3.3 冷卻水溫度的控制

水急冷方法中冷卻水溫度的控制是各方比較關(guān)注的。日本和澳大利亞提出，應(yīng)明確測定冷卻水溫度時(shí)溫度計(jì)的安放位置和控制水流量。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定使用常溫的水進(jìn)行冷卻，急冷過程中水溫升高不超過10℃，避免冷卻水溫度過高。在試驗(yàn)過程中，冷卻水水溫的變化由水槽的大小及水流量共同控制，在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮水槽大小。測試過程中根據(jù)試驗(yàn)溫度及室溫調(diào)整水流量來控制水槽中冷卻水的溫度。根據(jù)多年的使用經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)過程中反復(fù)測量，在急冷過程中冷卻水槽任意點(diǎn)的水溫升高均不超過10℃，因此，標(biāo)準(zhǔn)中沒有再限制具體的測量位置。

2.4 壓縮空氣急冷法和空氣自然冷法的問題和說明

壓縮空氣急冷法和空氣自然冷法在國外應(yīng)用較為廣泛，主要適用于易與水發(fā)生反應(yīng)的試樣。如澳大利亞采用空氣自然冷法測定所有產(chǎn)品的抗熱震性，而不是僅僅適用于顯氣孔率大于45%的輕質(zhì)磚。但是，在普遍意義上，由于輕質(zhì)磚的抗熱震性次數(shù)較少，通常采用空氣自然冷法，以較好地分辨產(chǎn)品抗熱震性的優(yōu)劣。日本提出，針對急冷后試樣的抗折試驗(yàn)，應(yīng)規(guī)定加載和卸載的速率；在空氣自然冷法中，應(yīng)增加一個(gè)試樣冷卻架，以避免熱量的傳遞。這些細(xì)節(jié)的技術(shù)規(guī)定在正式標(biāo)準(zhǔn)中都做了修改和補(bǔ)充。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和評價(jià)

在抗熱震性試驗(yàn)方法國際標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，各國提出意見最集中的是關(guān)于方法的重復(fù)性問題。為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)方法的穩(wěn)定性，選擇國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)，采用同一批原料、同一臺混碾機(jī)混練、同一窯車燒成，定制了高鋁磚、鎂磚和高鋁隔熱磚。3種樣品的主要理化性能見表3。

選擇6家實(shí)驗(yàn)室（編號分別為A、B、C、D、E、F），分別做3種試驗(yàn)方法的抗熱震性試驗(yàn)，其中，高鋁磚試驗(yàn)條件：1 100℃水急冷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 30873—2014方法一，結(jié)果評價(jià)原則：受熱斷面破損率達(dá)50%或以上；鎂磚試驗(yàn)條件：950℃壓縮空氣急冷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 30873—2014方法三，結(jié)果評價(jià)原則：試樣不能經(jīng)受0.3 MPa的彎曲應(yīng)力；高鋁隔熱磚試驗(yàn)條件：1 000℃空氣自然冷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 30873—2014方法四，結(jié)果評價(jià)原則：質(zhì)量損失超過20%。實(shí)驗(yàn)室比對試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

表3 3種定制樣品的典型理化性能

圖1 抗熱震性實(shí)驗(yàn)室比對試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)室的檢測結(jié)果，計(jì)算出了3個(gè)試驗(yàn)方法的精密度數(shù)據(jù)，見表4。從比對結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)室間試驗(yàn)結(jié)果有比較大的離散性，這與耐火材料的非均質(zhì)性、溫度場可控性較差等因素有關(guān)。熱沖擊的方式對耐火材料內(nèi)部的溫度梯度和相應(yīng)的應(yīng)力分布有顯著影響，隨著溫度的波動，材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致材料開裂，最終使耐火材料損毀。同時(shí)材料的性能、形狀尺寸、傳熱條件都能影響耐火材料的抗熱震性。因此，不同測試方法評價(jià)耐火材料的抗熱震性是完全不同的。

表4 抗熱震性試驗(yàn)方法精密度計(jì)算數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

抗熱震性是耐火材料的重要使用性能之一，新制定的國際標(biāo)準(zhǔn)只是包含了當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的三種試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，試驗(yàn)周期也較長。如今測定耐火材料抗熱震性的技術(shù)手段很多，如測定殘余抗折強(qiáng)度、彈性模量、超聲波脈沖速度等均可以判定抗熱震性的好壞，加熱和冷卻方法也有改變。因此，在測定方法的選擇上，既要考慮測定方法是否容易實(shí)施，又要選擇與耐火材料的服役環(huán)境盡可能相似的測定方法，當(dāng)前對耐火材料的損毀和失效過程的研究取得了長足的進(jìn)步，但依舊不足以預(yù)測耐火材料在實(shí)際使用中的壽命，國際標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)緊跟技術(shù)的進(jìn)步而不斷完善和發(fā)展。