焦宝石基结构梯度耐火材料的设计及热应力分析

摘要

为了改善耐火材料的抗热震性能,从梯度耐火材料的性能梯度和结构梯度出发,以焦宝石、α-Al2O3微粉和SiO2微粉为原料,磷酸二氢铝溶液为结合剂,混练后的泥料分别在20、60、100和140 MPa的压力下成型,再于600℃保温3 h热处理制成焦宝石基黏土砖,然后检测不同成型压力试样的热膨胀性、显气孔率、热导率和弹性模量,并利用ANSYS有限元法对不同成型压力试样的性能渐变梯度(自身温度场原位形成)和结构梯度(气孔结构)进行叠加,在热面温度和冷面温度分别为1300和500℃的边界条件下,对叠加前后的结构进行温度、应力、变形量的模拟分析研究.结果表明:1)试样的热膨胀系数随温度升高而逐渐降低,在设定边界条件下的温度场作用下,可以形成较适宜的性能渐变梯度;不同结构试样的热膨胀曲线有一定差异,可用于结构梯度耐火材料的设计.2)在性能渐变梯度与结构梯度叠加作用下,结构梯度D1(从高温面到低温面成型压力增加)与结构梯度D2(从高温面到低温面成型压力降低)相比,结构梯度D1的最大应力较小,沿Y轴负方向的最大变形量显著降低;与均一结构相比,结构梯度D2的最大应力与最大变形量显著增加,结构梯度D1的最大应力与成型压力为60、100、140 MPa的均一结构相比明显改善.3)成型压力对试样结构的改变有限,需要对其性能梯度和结构梯度进行进一步优化,使试样热膨胀曲线与理想曲线接近或一致.