单面加热与均匀加热：钢纤维增强Al?O?–SiO?浇注料的力学响应及微观结构演变

本研究系统对比了一侧加热与均匀加热对钢纤维增强Al?O?-SiO?耐火材料性能及微观结构的影响。结果表明，非均匀热场导致材料结构异质化、纤维氧化及界面退化，显著降低冷模强度（降低35%），而均匀加热提升致密性（密度>2.85g/cm3）和抗热震性（残余强度比78%）。钢纤维通过裂纹桥接、路径偏转及应力重分布有效抑制脆性断裂。

　　

李明辉|蔡传阳|齐刚|王凤丽|陈若宇|李赛赛

安徽工业大学冶金工程学院，中国安徽省马鞍山243002

摘要

本研究系统地比较了在模拟服役条件（单侧热源、动态温差）下，单侧加热和均匀加热对钢纤维增强Al₂O₃-SiO₂耐火浇注料力学性能和微观结构演变的影响。样品分别含有和不含2.5wt%的钢纤维，并进行了单侧加热（1350°C，单面暴露）和均匀加热处理。通过微观结构表征和力学测试，揭示了非均匀热场下的降解机制。单侧加热导致明显的结构异质性，烧结区与未烧结区之间的密度差异达到30%，并且存在明显的孔隙率梯度（烧结区的表观孔隙率降至12%，而未烧结区超过22%）。在烧结区，钢纤维发生严重氧化和熔化，形成了Cr₂O₃富集层，削弱了界面结合力，使得抗断裂模量（CMOR）比均匀加热样品降低了35%。相比之下，未烧结区中钢纤维的氧化程度较低，保持了良好的界面结合力，从而实现了有效的增强和增韧。均匀加热的样品具有致密、均匀的结构（体积密度>2.85 g/cm³），界面结合力增强，弯曲强度提高了42%（CMOR = 18.7 MPa），热震后的残余强度比（RSR = 78%）也提高了31%。钢纤维通过促进裂纹桥接、偏转裂纹扩展路径以及促进基体中的应力重分布，有效减缓了脆性断裂。这项工作揭示了非均匀热场下耐火浇注料的多尺度降解机制，为实际服役环境中的设计优化提供了理论指导。

引言

在KR热金属脱硫装置的使用过程中，搅拌头（叶轮的外层衬里）同时受到高温热金属/熔渣的侵蚀和严重的搅拌引起的磨损，同时还经历频繁的热循环。此时，热量主要从热面传递，而背面相对较冷，从而在衬里厚度上形成了明显的“热面/冷背”温差，这可能引发非均匀烧结和剥落失效[1]、[2]、[3]。在这种应用中，Al₂O₃-SiO₂浇注料因其成熟的加工工艺和良好的性能-成本平衡而被广泛使用；此外，其高温下的结合和致密化对热历史非常敏感，这使得它们适用于研究由温差引起的结构梯度。加入钢纤维可以通过裂纹桥接和吸能作用进一步提高断裂韧性和抗热震性；然而，纤维的氧化和界面降解也强烈依赖于温差，从而影响增强效率和失效模式[4]、[5]、[6]。尽管已经证明了纤维增强耐火材料的诸多优点，但大多数现有研究都是在理想化的实验室条件下进行的，主要集中在烧结和测试过程中的均匀热场。实际上，实际使用环境（如钢包、搅拌器和炼钢容器衬里）常常使材料受到非均匀或单侧的热载荷，导致非均匀烧结、温差和微观结构的异质性演变。此外，重复加热和快速空气冷却循环会导致热疲劳并加速材料降解，特别是在微观结构不均匀或界面结合力不足的情况下[7]。尽管系统研究仍有限，但在实际的耐火衬里中，热面/冷背边界条件很常见，从而形成了有效的单侧热载荷[8]、[9]。在这种情况下，浇注料可能会在厚度方向上形成不均匀的微观结构和相组成，表现为致密化/孔隙率和反应产物的梯度。由于浇注料的有效导热性与这些微观结构和相特性密切相关，单侧（热面/冷背）加热会改变热传递响应，并增加热不对称性下的早期降解风险[10]、[11]、[12]。这种加热条件会导致一些关键问题，包括热疲劳、局部应力集中和不同的氧化速率。这些因素在钢纤维增强系统中尤为值得关注，因为纤维的氧化或脱粘会导致力学性能的迅速恶化[13]、[14]、[15]。

尽管热梯度的重要性已被认可，但关于钢纤维增强Al₂O₃-SiO₂浇注料在模拟单侧加热条件下的性能演变的研究仍然很少。因此，本研究旨在通过跟踪微观结构发展、钢纤维氧化及其导致的力学性能，评估其在更现实、与操作相关的加热条件下的热力学性能演变。

原材料

原材料

< />₂O₃= 69 wt%，SiO₂ = 27.46 wt%，粒径5-3 mm、3-1 mm、1-0 mm，中国荆州华新莫来石有限公司），铝尖石骨料（Al₂O₃= 55.25 wt%，SiO₂ = 41.57 wt%，粒径3-1 mm、1-0 mm，中国郑州正博雅实业有限公司），碳化硅（SiC ≥ 98 wt%，粒径1-0 mm，中国宁夏滨河新材料有限公司），莫来石粉（Al₂O₃= 69 wt%，SiO₂ = 27.46 wt%，粒径0–0.045 mm，中国荆州华新莫来石有限公司），氧化铝粉（Al₂O₃= 69 wt%，粒径0–0.074 mm，山西瑞尔新材料有限公司）

结果与讨论

在研究钢纤维的氧化行为时，发现加热方式对其微观结构和氧化状态有显著影响。不同区域的钢纤维氧化特性表现出明显的异质性，如图2(a)、(b)所示的单侧加热实验结果所证明的。在经过单侧加热的未烧结部分，钢纤维表现出

结论

本研究探讨了单侧加热和均匀加热对钢纤维增强Al₂O₃-SiO₂浇注料的力学性能、微观结构和氧化行为的影响。主要发现如下：

(1)

加热方法对微观结构和致密化的影响：均匀加热使微观结构更加均匀，所有区域的体积密度均增加了约13%。相比之下，单侧加热导致了显著的密度梯度。

作者贡献声明

李赛赛：项目管理工作。陈若宇：撰写 – 审稿与编辑。蔡传阳：撰写 – 初稿。李明辉：方法论与概念设计。王凤丽：验证。齐刚：软件支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12305296）、国家自然科学基金（项目编号：52572019）和国家自然科学基金（项目编号：52302013）的财政支持。