Огнеупорные бетонные смеси, состоящие из гранулированных, порошкообразных материалов и связующих, стали ключевым материалом для футеровки промышленных печей в металлургической, цементной, стекольной и нефтехимической отраслях. Их производительность непосредственно определяет срок службы печей и безопасность эксплуатации. Среди множества микроструктурных факторов, влияющих на свойства огнеупорных бетонных смесей, пористость является одним из наиболее фундаментальных и критических показателей. Это не изолированный параметр, а сложная структурная система, включающая размер пор и их распределение, которая фундаментально определяет механические, термические и химические свойства материала. В данной статье систематически исследуется, как пористость и связанные с ней структурные параметры влияют на ключевые характеристики огнеупорных бетонных смесей, чтобы углубить понимание взаимосвязи между микроструктурой и свойствами.

Обзор пористости и классификация

Пористость - это отношение объема пор к общему объему материала, ключевой показатель для оценки плотности огнеупорных материалов. В зависимости от связи пор с внешней средой их можно разделить на три типа: открытые поры, сквозные поры и закрытые поры. Открытые поры имеют один закрытый конец, а другой соединен с внешней средой; сквозные поры проходят через весь материал и соединяются с внешней средой с обоих концов; закрытые поры полностью изолированы внутри материала и не сообщаются с внешней средой.

Обычно открытые и сквозные поры объединяются в открытые поры. В отечественной огнеупорной промышленности под "пористостью" обычно понимают кажущуюся пористость, то есть объемную долю всех открытых пор. Другим тесно связанным с пористостью показателем является объемная плотность, то есть отношение сухой массы материала к его общему объему.

Пористость является одним из наиболее фундаментальных технических показателей огнеупорных материалов, влияя практически на все их ключевые характеристики, такие как прочность, теплопроводность, стойкость к эрозии и термостойкость. Как правило, увеличение пористости приводит к снижению прочности, теплопроводности и стойкости к эрозии.

Поры в огнеупорных бетонных смесях

В процессе формования, сушки и высокотемпературного спекания огнеупорных бетонных смесей испарение влаги и усадка при спекании неизбежно приводят к образованию пор. В плотных бетонных смесях матричная часть составляет около 25% от общего объема, а поры занимают около 10% от объема матрицы, поэтому поры являются важным компонентом микроструктуры матрицы.

Структурные параметры пор весьма разнообразны и включают пористость, размер пор и распределение по размерам, форму пор и их распределение. Эти параметры в совокупности определяют конечные свойства огнеупорных бетонных смесей.

Конкретное влияние пористости на различные свойства

Влияние на прочность

После высокотемпературной обработки способ связывания в бетонных смесях изменяется от гидратационного к керамическому. Хотя керамические материалы сами по себе обладают высокой теоретической прочностью, поры внутри них, как дефекты, значительно снижают их фактическую прочность. Поры не только уменьшают эффективную площадь поперечного сечения материала, но и вызывают концентрацию напряжений вблизи краев пор, что приводит к разрушению материала при более низких нагрузках.

На прочность влияет не только пористость, но также размер пор и распределение по размерам. При одинаковой пористости мелкие и равномерно распределенные поры оказывают меньшее ослабляющее влияние на прочность, чем крупные и сосредоточенные.

Влияние на теплопроводность

Влияние пор на теплопроводность сложно. Когда пористость невысока, размер пор мал и они равномерно распределены в среде бетонной смеси, поры можно рассматривать как дисперсную фазу в непрерывной фазе бетонной смеси. Исследования показывают, что теплопроводность высокоглиноземистых огнеупорных материалов экспоненциально снижается с увеличением общей или кажущейся пористости. Это именно принцип теплоизоляции легких теплоизоляционных бетонных смесей, огнеупорных волокнистых изделий и легких керамических изделий из полых шариков - путем введения большого количества пор для препятствования теплопередаче.

Влияние на коэффициент теплового расширения

Тепловое расширение материала происходит из-за увеличения среднего расстояния между частицами в кристаллической решетке с повышением температуры. На коэффициент теплового расширения влияют многие факторы, такие как химический состав, кристаллическая структура, прочность связей и т.д. Однако влияние пористости на коэффициент теплового расширения в основном зависит от распределения пор в материале и мало связано с величиной пористости. Равномерно распределенные поры мало изменяют общее поведение расширения.

Влияние на шлакоустойчивость

Шлакоустойчивость refers to the ability of refractory materials to resist erosion and冲刷 by molten slag at high temperatures. The damage of molten slag to castables is mainly through two ways: surface dissolution and internal penetration. Among them, the internal penetration of slag will sharply expand the reaction area and form a easily dissolved metamorphic layer, accelerating the damage.

The open pores in the castable are the main channel for slag penetration. The higher the open porosity, the faster the slag penetration rate, and the penetration ratio is approximately proportional to the porosity. At the same time, the pore size is a key factor. According to the principles of fluid mechanics, pores with a diameter greater than 1μm are prone to cause capillary penetration of slag. Therefore, even with the same porosity, castables with smaller pore sizes can more effectively inhibit slag penetration, thereby improving slag resistance.

Влияние на взрывное сопротивление

During the baking process, the free water in the castable boils at about 100°C to generate steam pressure. If the castable has poor air permeability, the steam cannot be discharged in time, and the internal pressure will rise sharply. When the pressure exceeds the binding strength of the material, it will cause explosion.

Therefore, improving air permeability is the key to preventing explosion. A common method is to add organic fibers (such as polypropylene fibers) to the ingredients. The fibers burn out during heating, leaving connected micro-channels to provide a fast and short path for steam escape. Research shows that the air permeability network of castables is usually composed of large pores connected by small pores.

Заключение и перспективы исследований

Хотя технология огнеупорных бетонных смесей достигла значительного прогресса, исследования количественных взаимосвязей между микроструктурой матрицы, особенно параметрами структуры пор, и свойствами все еще относительно отстают.

В настоящее время большинство исследований ограничиваются общей или кажущейся пористостью, и недостаточно исследований по количественной характеристике других ключевых структурных параметров пор, таких как размер пор, распределение по размерам и форма. В то же время отсутствуют углубленные исследования количественных связей между параметрами структуры пор и механическими и термическими свойствами, что не позволяет точно оценить чувствительность влияния различных параметров пор на свойства.

Будущие исследования должны быть направлены на создание систематических и количественных методов характеристики структуры пор в матрице огнеупорных бетонных смесей. С помощью экспериментов и моделей необходимо количественно раскрыть внутренние связи между параметрами структуры пор и термическими и механическими свойствами. Определение веса влияния различных параметров пор на свойства обеспечит прочную теоретическую основу для оптимизации конструкции матрицы и разработки высокоэффективных огнеупорных бетонных смесей.

Итоговое заключение

В заключение, параметры пористости и связанной с ней структуры являются центральной темой в исследованиях, оптимизации свойств и применении огнеупорных бетонных смесей. Это похоже на "двусторонний меч": с одной стороны, чрезмерная пористость серьезно ухудшает прочность и стойкость к эрозии материала; с другой стороны, контролируемое введение и оптимизация структуры пор являются ключевым средством достижения облегчения, теплоизоляции и улучшения термостойкости и взрывного сопротивления материала. В будущем совместные усилия по точному регулированию структуры пор с двух измерений - "количества" и "качества" - станут неизбежным путем продвижения технологии огнеупорных бетонных смесей в направлении высокой производительности и функциональности, что имеет важное значение для повышения общего уровня оборудования в высокотемпературной промышленности нашей страны.

Для обеспечения высокого качества и долговечности ваших промышленных объектов требуются надёжные огнеупорные решения. Если вам нужно высококачественные огнеупорные бетонные смеси, наша компания готова предложить вам передовые продукты и комплексный сервис. Для получения дополнительной информации и консультаций, пожалуйста, свяжитесь с нами