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耐火浇注料透气通道主要有两种:一种是骨料/基质界面,这是由于不同尺寸基质颗粒在骨料周围产生了填充缺陷,形成了气孔率较高的界面过渡区(ITZ)。这些界面区由于结构呈多孔而具有透气性,在浇注料干燥过程中成为水分排出的主要通道。界面过渡区的厚度取决于基质颗粒尺寸,界面过渡区的长度大致由骨料颗粒的周长决定。根据骨料表面最大基质厚度(MaximumPasteThickness),简称MPT,可计算骨料颗粒之间的平均距离,MPT参数的定义为:基质部分除用于包裹骨料颗粒表面外,有一部分用于充填骨料之间的空隙,最后剩余部分实现骨料之间的隔离。
耐火浇注料中计算颗粒间距的参数,即MPT参数,可以衡量骨料与基质界面数量,MPT值越小表示骨料颗粒之间的间距越小,骨料与基质比越大,骨料与基质界面数量越多,耐火浇注料具有更高透气性。其计算式如式(1)所示。 式(1)中:VSA是体积比表面积(m2/cm3);P0是理论上堆积的最小气孔率;Vs是骨料的体积浓度。 另一种是基质中的气孔。据统计,在致密耐火浇注料中,基质占浇注料总体积的25-35%,而气孔约占基质总体积的10%,可见,气孔是基质显微结构的重要组成部分。基质中气孔数量可以通过IPS值来定性衡量,IPS值越大表明基质颗粒间距越大,基质中气孔数量越多,耐火浇注料就具有更高透气性。其计算式如式(2)所示。 式(2)中:VSA是体积比表面积(m2/cm3);P0是理论上堆积的最小气孔率;Φ是基质的体积浓度。 骨料ITZ与基质中的气孔相比较,界面过渡区的气孔更畅通,因而界面过渡区流动阻力比基质气孔的流动阻力小。在常用耐火浇注料中,骨料含量通常为60-80%,相邻骨料间的间距较小,产生的界面过渡区气孔如果能够连通起来,则成为流体快速渗透的有效途径。可通过调节基质中气孔参数和骨料与基质界面过渡区的气孔参数来增大浇注料的透气性。 目前测量材料气孔结构的方法有多种,根据原理大致可以分为直接方法和间接方法,其中直接方法可以得到材料各相形状尺寸的微结构图像,然后通过一定的算法得到相应气孔结构参数,主要有光学显微镜和电子扫描显微镜两种。间接方法是将外界特定的物质作用于材料,测量材料在这种激励作用下的某些反应,比如气体吸附法﹑压汞法﹑小角散射法以及核磁共振法等。 不同的孔隙测量方法测定的孔隙范围不同,有些方法只能测量开口气孔,如压汞法以及气体吸附法;有些方法开口气孔以及闭口气孔都可以测量,比如小角散射法,表1给出了一些孔隙测定方法的测量尺寸范围。 在室温下进行透气度测量一般是使用养护后的试样或热处理后的试样,这不能够真实反映浇注料在烘烤过程中透气性的动态变化。下图为可以测量浇注料在加热过程中透气度的装置。 图1中:AC为空气压缩机;B为皂泡流量计(Q=0-10L·min-1);C1,C2为圆柱筒,V=140cm3;HE为热交换器;PV为压力阀和水/油过滤器;PT1为入口压力传感器(Pi<1000kPa);PT2为出口压力传感器(P0<66.66kPa);R为旋转流量计(Q=0-40L·min-1);S为试样;TC为热电偶。 测量装置包括上下两个圆柱筒和用于固定试样的圆柱支撑架,直径7.5cm、高2-3cm的圆柱试样放置在加热炉内,加热炉升温时,试样被加热,预先铺设在加热炉内的管道及管道空气也被加热,在试验温度下,向试样下面的圆柱筒中通入热空气,测量圆柱筒内部温度和压力,气流经试样流向试样上端的圆柱筒,测量此圆柱筒内的温度和压力,在稳态条件下测量透气性,即入口压力温度、出口压力均不变时测量出口气体流速,通过改变入口和出口气流压力,得到多组压力和流速数据,根据可压缩流体的Forcheimer方程通过最小二乘法来拟合得到透气性常数k1和k2。 动态测量法得到透气性常数需手工试验获取多组数据,耗费时间和材料,且对设备的灵敏度有要求。在真空衰减透气度测量技术基础上考虑惯性作用和气体压缩的影响,同时增大压力衰减动力并减少测量时间,提出了压力衰减透气度测量技术。这种测量方法是将试样四周密封,一面与高压气体接触,其对面敞开与环境接触。在某一时刻,停止供气,由于高压侧气体通过试样渗透到对面,高压侧压力逐渐降低,直到高压侧压力等于低压侧压力,即环境压力,此时气流速度为零。测量并记录高压侧气体压力随时间的变化,气体流速vs不用测量,而是通过式(3)计算。 式(3)中:Vc是空气进入腔体积(m3);A是空气进入面面积(m2);Pi为高压侧压力,即气流进入侧压力(Pa);P0为低压侧压力,即环境压力(Pa)。计算透气性常数k1和k2通常采用的方法是先求出式(3)中的导数部分,然后联立Forchheimer方程求解。这种技术方便快捷,大幅度简化人工操作,减少总测试时间和测量数据。但是这种计算方法的关键在于如何确定数据组数量和数据间隔以获得最可靠的拟合结果。通过调整求导数据点的时间间隔、压力值间隔以及测试时间范围和压力数据范围来观察拟合效果。结果发现,对于试验压力间隔选择为0.02MPa可以获得最好的拟合效果,数据范围的选择越宽,得到的透气性常数k1和k2越可靠。
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