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耐火澆注料透氣通道主要有兩種:一種是骨料/基質(zhì)界面,這是由于不同尺寸基質(zhì)顆粒在骨料周圍產(chǎn)生了填充缺陷,形成了氣孔率較高的界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)。這些界面區(qū)由于結(jié)構(gòu)呈多孔而具有透氣性,在澆注料干燥過(guò)程中成為水分排出的主要通道。界面過(guò)渡區(qū)的厚度取決于基質(zhì)顆粒尺寸,界面過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)度大致由骨料顆粒的周長(zhǎng)決定。根據(jù)骨料表面最大基質(zhì)厚度(MaximumPasteThickness),簡(jiǎn)稱MPT,可計(jì)算骨料顆粒之間的平均距離,MPT參數(shù)的定義為:基質(zhì)部分除用于包裹骨料顆粒表面外,有一部分用于充填骨料之間的空隙,最后剩余部分實(shí)現(xiàn)骨料之間的隔離。
耐火澆注料中計(jì)算顆粒間距的參數(shù),即MPT參數(shù),可以衡量骨料與基質(zhì)界面數(shù)量,MPT值越小表示骨料顆粒之間的間距越小,骨料與基質(zhì)比越大,骨料與基質(zhì)界面數(shù)量越多,耐火澆注料具有更高透氣性。其計(jì)算式如式(1)所示。 式(1)中:VSA是體積比表面積(m2/cm3);P0是理論上堆積的最小氣孔率;Vs是骨料的體積濃度。 另一種是基質(zhì)中的氣孔。據(jù)統(tǒng)計(jì),在致密耐火澆注料中,基質(zhì)占澆注料總體積的25-35%,而氣孔約占基質(zhì)總體積的10%,可見(jiàn),氣孔是基質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的重要組成部分?;|(zhì)中氣孔數(shù)量可以通過(guò)IPS值來(lái)定性衡量,IPS值越大表明基質(zhì)顆粒間距越大,基質(zhì)中氣孔數(shù)量越多,耐火澆注料就具有更高透氣性。其計(jì)算式如式(2)所示。 式(2)中:VSA是體積比表面積(m2/cm3);P0是理論上堆積的最小氣孔率;Φ是基質(zhì)的體積濃度。 骨料ITZ與基質(zhì)中的氣孔相比較,界面過(guò)渡區(qū)的氣孔更暢通,因而界面過(guò)渡區(qū)流動(dòng)阻力比基質(zhì)氣孔的流動(dòng)阻力小。在常用耐火澆注料中,骨料含量通常為60-80%,相鄰骨料間的間距較小,產(chǎn)生的界面過(guò)渡區(qū)氣孔如果能夠連通起來(lái),則成為流體快速滲透的有效途徑??赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)基質(zhì)中氣孔參數(shù)和骨料與基質(zhì)界面過(guò)渡區(qū)的氣孔參數(shù)來(lái)增大澆注料的透氣性。 目前測(cè)量材料氣孔結(jié)構(gòu)的方法有多種,根據(jù)原理大致可以分為直接方法和間接方法,其中直接方法可以得到材料各相形狀尺寸的微結(jié)構(gòu)圖像,然后通過(guò)一定的算法得到相應(yīng)氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù),主要有光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡兩種。間接方法是將外界特定的物質(zhì)作用于材料,測(cè)量材料在這種激勵(lì)作用下的某些反應(yīng),比如氣體吸附法﹑壓汞法﹑小角散射法以及核磁共振法等。 不同的孔隙測(cè)量方法測(cè)定的孔隙范圍不同,有些方法只能測(cè)量開(kāi)口氣孔,如壓汞法以及氣體吸附法;有些方法開(kāi)口氣孔以及閉口氣孔都可以測(cè)量,比如小角散射法,表1給出了一些孔隙測(cè)定方法的測(cè)量尺寸范圍。 在室溫下進(jìn)行透氣度測(cè)量一般是使用養(yǎng)護(hù)后的試樣或熱處理后的試樣,這不能夠真實(shí)反映澆注料在烘烤過(guò)程中透氣性的動(dòng)態(tài)變化。下圖為可以測(cè)量澆注料在加熱過(guò)程中透氣度的裝置。 圖1中:AC為空氣壓縮機(jī);B為皂泡流量計(jì)(Q=0-10L·min-1);C1,C2為圓柱筒,V=140cm3;HE為熱交換器;PV為壓力閥和水/油過(guò)濾器;PT1為入口壓力傳感器(Pi<1000kPa);PT2為出口壓力傳感器(P0<66.66kPa);R為旋轉(zhuǎn)流量計(jì)(Q=0-40L·min-1);S為試樣;TC為熱電偶。 測(cè)量裝置包括上下兩個(gè)圓柱筒和用于固定試樣的圓柱支撐架,直徑7.5cm、高2-3cm的圓柱試樣放置在加熱爐內(nèi),加熱爐升溫時(shí),試樣被加熱,預(yù)先鋪設(shè)在加熱爐內(nèi)的管道及管道空氣也被加熱,在試驗(yàn)溫度下,向試樣下面的圓柱筒中通入熱空氣,測(cè)量圓柱筒內(nèi)部溫度和壓力,氣流經(jīng)試樣流向試樣上端的圓柱筒,測(cè)量此圓柱筒內(nèi)的溫度和壓力,在穩(wěn)態(tài)條件下測(cè)量透氣性,即入口壓力溫度、出口壓力均不變時(shí)測(cè)量出口氣體流速,通過(guò)改變?nèi)肟诤统隹跉饬鲏毫?,得到多組壓力和流速數(shù)據(jù),根據(jù)可壓縮流體的Forcheimer方程通過(guò)最小二乘法來(lái)擬合得到透氣性常數(shù)k1和k2。 動(dòng)態(tài)測(cè)量法得到透氣性常數(shù)需手工試驗(yàn)獲取多組數(shù)據(jù),耗費(fèi)時(shí)間和材料,且對(duì)設(shè)備的靈敏度有要求。在真空衰減透氣度測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上考慮慣性作用和氣體壓縮的影響,同時(shí)增大壓力衰減動(dòng)力并減少測(cè)量時(shí)間,提出了壓力衰減透氣度測(cè)量技術(shù)。這種測(cè)量方法是將試樣四周密封,一面與高壓氣體接觸,其對(duì)面敞開(kāi)與環(huán)境接觸。在某一時(shí)刻,停止供氣,由于高壓側(cè)氣體通過(guò)試樣滲透到對(duì)面,高壓側(cè)壓力逐漸降低,直到高壓側(cè)壓力等于低壓側(cè)壓力,即環(huán)境壓力,此時(shí)氣流速度為零。測(cè)量并記錄高壓側(cè)氣體壓力隨時(shí)間的變化,氣體流速vs不用測(cè)量,而是通過(guò)式(3)計(jì)算。 式(3)中:Vc是空氣進(jìn)入腔體積(m3);A是空氣進(jìn)入面面積(m2);Pi為高壓側(cè)壓力,即氣流進(jìn)入側(cè)壓力(Pa);P0為低壓側(cè)壓力,即環(huán)境壓力(Pa)。計(jì)算透氣性常數(shù)k1和k2通常采用的方法是先求出式(3)中的導(dǎo)數(shù)部分,然后聯(lián)立Forchheimer方程求解。這種技術(shù)方便快捷,大幅度簡(jiǎn)化人工操作,減少總測(cè)試時(shí)間和測(cè)量數(shù)據(jù)。但是這種計(jì)算方法的關(guān)鍵在于如何確定數(shù)據(jù)組數(shù)量和數(shù)據(jù)間隔以獲得最可靠的擬合結(jié)果。通過(guò)調(diào)整求導(dǎo)數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間間隔、壓力值間隔以及測(cè)試時(shí)間范圍和壓力數(shù)據(jù)范圍來(lái)觀察擬合效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于試驗(yàn)壓力間隔選擇為0.02MPa可以獲得最好的擬合效果,數(shù)據(jù)范圍的選擇越寬,得到的透氣性常數(shù)k1和k2越可靠。
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