耐火材料荷重軟化溫度檢測(cè)方法研究

李向威

（陽(yáng)泉市綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心 國(guó)家硅鋁質(zhì)耐火材料質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（山西），山西 陽(yáng)泉 045000）

耐火材料作為高溫工業(yè)的基礎(chǔ)材料，其質(zhì)量可靠性事關(guān)各類高溫工業(yè)窯爐的運(yùn)行安全。荷重軟化溫度是耐火材料高溫性能的重要指標(biāo)之一，它表示材料對(duì)高溫和荷重同時(shí)作用的抵抗能力，在一定程度上表明材料在其使用條件相仿情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也表示在此溫度下材料出現(xiàn)了明顯的塑性變形[1]。

1 檢測(cè)原理與標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

荷重軟化溫度是耐火材料在規(guī)定的升溫條件下，承受恒定荷載產(chǎn)生規(guī)定變形時(shí)的溫度。荷重軟化溫度的測(cè)試原理為圓柱體試樣在規(guī)定的恒定載荷和升溫速率下加熱，直到其產(chǎn)生規(guī)定的壓縮形變，記錄升溫時(shí)試樣的形變，測(cè)定在產(chǎn)生規(guī)定形變量時(shí)的相應(yīng)溫度[2]。根據(jù)測(cè)試條件不同又主要分為示差法與非示差法兩大類。

目前與耐火材料相關(guān)的國(guó)內(nèi)外荷重軟化溫度標(biāo)準(zhǔn)及主要技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外荷重軟化溫度標(biāo)準(zhǔn)及主要技術(shù)特點(diǎn)

2 檢測(cè)結(jié)果的影響因素

本節(jié)對(duì)影響荷重軟化溫度檢測(cè)結(jié)果的主要因素，如檢驗(yàn)方法、設(shè)備條件、升溫速率、載荷重量及材料本身等分別展開(kāi)討論分析。

2.1 檢驗(yàn)方法

通常來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一材料荷重軟化溫度的示差-升溫法測(cè)試結(jié)果要比非示差-升溫法測(cè)試結(jié)果要低20 ℃～30 ℃左右，甚至更多[3]。這是由于，測(cè)量裝置本身結(jié)構(gòu)不同所造成的，主要包含溫度采集和試樣變形量采集兩個(gè)方面。一是溫度采集方面，非示差-升溫法的測(cè)溫裝置采用一端封閉的B 型熱電偶，測(cè)溫端在試樣高度的一半處，且在試樣外表面，測(cè)量結(jié)果反映的是到達(dá)形變點(diǎn)時(shí)爐膛的實(shí)際溫度。而示差-升溫法使用的測(cè)溫?zé)犭娕嘉挥趫A柱體試樣內(nèi)部的幾何中心，測(cè)試結(jié)果反映的是試樣當(dāng)時(shí)本身的溫度，已經(jīng)消除了爐溫與試樣溫度的溫差影響，測(cè)試結(jié)果更加科學(xué)。二是試樣變形量方面，示差-升溫法采用的示差機(jī)構(gòu)，考慮了整個(gè)加荷裝置系統(tǒng)的變形量，并在最后的結(jié)果中扣除，因此檢測(cè)結(jié)果的變形量為試樣本身的變形量。而采用非示差-升溫法，并沒(méi)有考慮裝置加荷系統(tǒng)的變形影響，所以檢測(cè)結(jié)果是試樣與裝置加荷系統(tǒng)整體的變形量。因此，生產(chǎn)企業(yè)、用戶和研究人員在檢測(cè)荷重軟化溫度時(shí)，要避免因測(cè)試方法不同而導(dǎo)致?tīng)?zhēng)議。

2.2 設(shè)備條件

目前荷重軟化溫度爐體主要采用封閉式與對(duì)開(kāi)門(mén)式兩種方式，劉曉磊等研究了不同設(shè)備條件（封閉式爐體、對(duì)開(kāi)式爐體、石墨壓棒、碳化硅壓棒）對(duì)荷重軟化溫度結(jié)果準(zhǔn)確度的影響。研究表明，在壓棒相同而爐體不同時(shí)，因爐體保溫效果良好，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較小，可視為正常檢測(cè)誤差[4]。因此，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)備條件對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響基本可以忽略。

2.3 升溫速率

由于“熱滯后”原因，按低速率4.5 K/min～5.5 K/min 升溫測(cè)得的荷重軟化溫度較低，而用高速率10 K/min 升溫測(cè)得的荷重軟化溫度較高[5]。這是由于，外部溫度急速升高而材料形變滯后所導(dǎo)致，升溫越快，結(jié)果數(shù)值偏差越大。因此，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定速率升溫，以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

2.4 載荷重量

通過(guò)對(duì)黏土磚、高鋁磚、硅磚三種類型同一塊標(biāo)磚中心部位鉆取5 個(gè)試樣，用同一載荷軟爐進(jìn)行多次荷重軟化開(kāi)始溫度試驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同載荷重量下不同磚型的荷重軟化溫度 ℃

結(jié)果表明，載荷重量在0.2 MPa～0.4 MPa 之間時(shí)，荷重軟化溫度測(cè)定結(jié)果整體趨勢(shì)為試樣的負(fù)荷量越大，其軟化溫度值越小，但綜合來(lái)看對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響不大，均在可接受誤差范圍之內(nèi)。

鑒于上述載荷重量對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果影響很小，可適當(dāng)簡(jiǎn)化異形磚試樣的荷重軟化溫度的載荷面積的測(cè)定。結(jié)果見(jiàn)表3。如蓄熱室格子磚在確定其載荷面積時(shí)，通常用浸液稱量法間接測(cè)量試樣的體積[6]，再除以高度值，進(jìn)而計(jì)算出加荷面積，但整個(gè)過(guò)程繁瑣不易操作。因此可采取標(biāo)準(zhǔn)格測(cè)定面積，將荷軟試樣置于標(biāo)準(zhǔn)格紙上，畫(huà)出輪廓，通過(guò)數(shù)格子數(shù)的方法來(lái)確定載荷面積（不足半格不計(jì)數(shù)，多于半格計(jì)一格）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，標(biāo)準(zhǔn)格法同樣能達(dá)到試樣要求精度，誤差很小，實(shí)際操作更方便快捷。

表3 格子磚不同面積測(cè)定方法時(shí)荷重軟化溫度（0.6%，0.2MPa）

2.5 材料特性

對(duì)于添加了高溫膨脹劑（藍(lán)晶石、紅柱石、硅線石、碳化硅等）的不燒高鋁質(zhì)材料，如磷酸鹽磚等，由于二次膨脹的原因，測(cè)出的荷重軟化溫度可能差異很大。圖1 為典型的磷酸鹽磚和硅質(zhì)耐火泥漿荷重軟化溫度位移-溫度曲線圖。

圖1 荷重軟化溫度位移-溫度曲線圖

可以看出，試樣在加熱過(guò)程中都存在二次膨脹過(guò)程，由于當(dāng)前設(shè)備采集均為自動(dòng)化設(shè)備，在檢驗(yàn)時(shí)一旦觸及提前設(shè)定的變形率時(shí)試驗(yàn)將立即停止，并記錄當(dāng)時(shí)的溫度作為荷重軟化溫度值。如果二次膨脹初始點(diǎn)恰好為壓縮變形點(diǎn)0.6%時(shí)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響將非常大。因此，針對(duì)特殊種類材質(zhì)檢測(cè)時(shí)，可將變形率設(shè)定為多點(diǎn)，如0.6%、1.0%、2.0%、4.0%等。

3 檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量控制

針對(duì)上述各類影響的因素，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量控制顯得尤為重要，而質(zhì)控工作需要在做好溫度、位移、壓力等相關(guān)參數(shù)量值溯源工作前提開(kāi)展。本節(jié)將對(duì)目前國(guó)內(nèi)主流荷重軟化溫度檢測(cè)YB/T 370 的方法進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

3.1 量值溯源

選擇具有相應(yīng)資質(zhì)的計(jì)量部門(mén)對(duì)荷重軟化試驗(yàn)儀進(jìn)行量值溯源，對(duì)結(jié)果按照下頁(yè)表4 要求進(jìn)行逐項(xiàng)核查。

表4 量值溯源要求

3.2 質(zhì)控方法

3.2.1 標(biāo)樣比對(duì)

對(duì)于可獲得石英標(biāo)樣的實(shí)驗(yàn)室，可用標(biāo)樣（標(biāo)準(zhǔn)值為1 386 ℃）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值偏差應(yīng)不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品的擴(kuò)展不確定度（U=12 ℃）。

3.2.2 內(nèi)部質(zhì)控

在YB/T 370 試驗(yàn)誤差中規(guī)定：同一實(shí)驗(yàn)室同一樣品不同試樣的復(fù)驗(yàn)誤差不超過(guò)20 ℃[7]。因此，對(duì)于同一實(shí)驗(yàn)室同一樣品不同試樣，可用同一臺(tái)儀器進(jìn)行重復(fù)測(cè)試或者用2 臺(tái)儀器分別測(cè)試，2 次測(cè)試結(jié)果誤差不得超過(guò)20 ℃；對(duì)于多臺(tái)（n≥3）荷重軟化試驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)室，第i 臺(tái)儀器的測(cè)量結(jié)果應(yīng)滿足式（1）：

式中：yi為第i 臺(tái)儀器的測(cè)量結(jié)果，℃；為n 臺(tái)儀器測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值，℃；U1ab為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，℃。

取重復(fù)性限r(nóng)=20 ℃，包含因子k=2，則：

3.2.3 室間比對(duì)

在YB/T 370 試驗(yàn)誤差中規(guī)定：不同實(shí)驗(yàn)室同一樣品不同試樣的復(fù)驗(yàn)誤差不超過(guò)30 ℃[7]。因此，當(dāng)兩家實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)時(shí)，測(cè)量結(jié)果的誤差不得超過(guò)30 ℃；當(dāng)3 家及以上實(shí)驗(yàn)室之間的比對(duì)，第i 個(gè)參加實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果可參照式（1）進(jìn)行評(píng)價(jià)。

取復(fù)現(xiàn)性限R=30 ℃，包含因子k=2，則：

為保證樣品的均勻性和一致性，檢測(cè)試樣應(yīng)從同一塊外觀檢驗(yàn)合格的標(biāo)型耐火制品中間相鄰部位鉆取，且應(yīng)保證試樣的高度方向?yàn)橹破烦尚蜁r(shí)的加壓方向。

4 結(jié)語(yǔ)

耐火材料作為一種非均質(zhì)體材料，各處的性能均不完全相同，對(duì)于同一塊耐火磚的相近部位取樣檢驗(yàn)其結(jié)果也不相同。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的原料級(jí)配、成型壓力與錘數(shù)、窯爐溫度與氣氛、燒成時(shí)間、冷卻等綜合作用下，同一批磚的質(zhì)量總會(huì)參差不齊。此外，檢驗(yàn)過(guò)程各操作環(huán)節(jié)中對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果造成的影響，盡管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同實(shí)驗(yàn)室同一塊磚30 ℃的誤差范圍，但有時(shí)檢測(cè)結(jié)果雖然在誤差范圍之內(nèi)，對(duì)于產(chǎn)品判定卻產(chǎn)生了不同的結(jié)果。

因此，對(duì)于批次檢驗(yàn)，必須嚴(yán)格按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，科學(xué)設(shè)定檢驗(yàn)結(jié)果范圍。近年來(lái)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制修訂中，都給出了科學(xué)的范圍，對(duì)于避免商檢爭(zhēng)議起到了很好的效果。此外，還需根據(jù)窯爐實(shí)際應(yīng)用情況，科學(xué)界定材料使用性能與檢驗(yàn)結(jié)果之間的差異，避免單純依靠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)而否定材料的實(shí)際應(yīng)用效果。