耐火浇注料里面加入钢纤维是好现象还是副作用

耐火浇注料是一种多相非均质体，其在热冲击下的损毁形式较为复杂，内部裂纹在扩展过程中会在气孔、物相相界、晶界等位置发生偏转产生能量损耗而受阻。在耐火浇注料抗热震性测试的相关标准中，通过分析受热端面破损率、出现可见裂纹的热震次数、承受恒定载荷而不发生破坏的热震次数、抗折强度保持率、耐压强度保持率、弹性模量保持率等指标评价材料的抗热震性。

除上述方法外，在热震过程中，亦可采用弹性模量、抗折强度和超声波波速的衰减来表征材料内部缺陷的变化特点。弹性模量的衰减主要是因为材料内部微裂纹的形成，材料内部微裂纹数量的增加会导致弹性模量值的减小。抗折强度的减小与材料内部最大缺陷的尺寸相关，如果材料内部最大裂纹尺寸在热震过程中有所发展，其抗折强度将出现明显下降。耐火材料超声波无损检测技术能够对材料内部裂纹、气孔等缺陷进行相关分析。超声波波速的减小说明材料内部连贯性下降，如更多的裂纹、气孔等缺陷的生成。耐火浇注料在热震过程中内部会生成大量的缺陷，利用单一评价方法评价材料的抗热震性无法得到准确的结果。

鉴于此，拟以水合氧化铝(ρ-Al2O3)结合莫来石质浇注料为对象，通过在浇注料内引入第二相钢纤维，利用不同材料热膨胀系数的差异性在内部形成微裂纹以达到改善抗热震性能的目的。

图1为1200 ℃热处理后不同钢纤维加入量对莫来石质浇注料常规物理性能的影响。由图1可见，随着钢纤维加入量的增加，浇注料线收缩率逐渐变小(见图 1a)。这是因为钢纤维的热膨胀系数较大约为(12~14)×10–6 /℃，远高于莫来石浇注料基体约为(4~6)×10–6 /℃，造成添加钢纤维后的线变化率趋向于膨胀。同时，随着钢纤维加入量的增加，成型时所需加水量增加，虽然钢纤维密度大于莫来石基体材料，但因钢纤维加入量不大(最大量为2.5%)，导致浇注料的体积密度随钢纤维添加变化较小，即体积密度在2.65~2.68 g/cm3，显气孔率在14.6%~15.5%波动变化。热震后因材料内部裂纹的出现，结构变得疏松，表现为浇注料的 体积密度下降(见图 1b)，显气孔率增加(见图 1c)

图2为莫来石质浇注料热震前后的性能变化。由图2a可见，热震后浇注料的抗折强度保持率呈现先增加后降低的变化规律，当钢纤维加入量为1.5%时，热震后抗折强度保持率达到最大，这表明钢纤维的引入有助于提高材料的断裂韧性，减缓热震过程中内部缺陷的生成扩展，提升浇注料的抗热震性，但过量钢纤维可能会导致浇注料内部缺陷数量和尺寸增加，反而降低材料的抗热震性。 

在热震过程中，随着钢纤维的增加，浇注料内部缺陷的数量会增多，也将导致材料弹性模量保持率的降低(见图2b)；缺陷数量增多提高了彼此间桥接互联的概率，增加了浇注料基体结构的不连贯性，引起材料超声波波速保持率的下降(见图 2c)。

图3为不同钢纤维加入量莫来石浇注料热震后SEM 照片。钢纤维加入量为 0、1.5%、2.5% (质量分数)的浇注料样品，由于SEM分析样品来自1 200 ℃处理后的1100 ℃ 3 次热震循环后样品，钢纤维经过4次热处理后多数已熔化至基体材料中，甚至局部可能形成含Fe玻璃相，因此 SEM 观察中并未看到残留钢纤维。由于热处理温度不高且保温时间不长(1 200 ℃保温 3 h)，局部还可看到未反应的仍保持原来絮状团聚形貌的活性 ρ-Al2O3 (见图3中箭头所指的呈深灰色团状相)。

结论：少量钢纤维(不大于1.0%)加入时，浇注料的断裂能、抗热应力损伤因子会随钢纤维量增加呈下降趋势：当其加入量介于1.0%~2.0%之间时，浇注料的抗裂纹扩展能力随钢纤维加入量增加而增加，进而提高了抗热震性能；但过量钢纤维(大于2.0%)会导致抵抗微裂纹扩展能力的再次下降。 抗热震性试验过程中，浇注料内部缺陷的数量和尺寸会随钢纤维加入量增大而增加，导致弹性模量保 持率和超声波波速保持率的持续下降，而抗折强度 保持率则呈现先增加后降低的变化规律。