窯口處窯氣溫度在1100℃~1400℃之間波動，有沒有穩(wěn)定窯皮，熟料的研磨和氣流的沖刷都很嚴重，物料與二次空氣溫差較大，內(nèi)襯反復(fù)交替接觸兩種不同溫度的物質(zhì)，使溫度變化頻繁，易產(chǎn)生疲勞爆裂。對窯口澆注料總的要求是要有較好的熱震穩(wěn)定性和較高的韌性。由于存在自由膨脹端，材料體在高溫狀態(tài)下的整體穩(wěn)固性要求也較為嚴格。在選擇耐火材料時，應(yīng)考慮其理化指標氣孔率適中，常溫耐壓強度較高、熱震穩(wěn)定性良好及重燒線收縮不大的耐火材料。
一：實驗設(shè)計
本實驗所用基本材料如下表：
擬在澆注料中加入幾種添加劑，以改善材料的性能。介紹如下：碳化硅具有常溫和高溫強度高、熱導(dǎo)率大、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性好、高溫耐磨性優(yōu)良、抗化學(xué)侵蝕性強等一系列優(yōu)異性能，并且對熱應(yīng)力具有高阻抗性。加有碳化硅的礬土基耐火材料經(jīng)燒結(jié)后，進入到澆注料試樣的剛玉—莫來石結(jié)構(gòu)中，不僅使高溫強度增加，而且抗熱震性由于更柔軟的結(jié)構(gòu)而得到改善。
而脆性是耐火材料的致命弱點，其拉伸斷裂應(yīng)變極小。引入鋼纖維是可以起到增韌補強、提高斷裂韌度的有利措施，將鋼纖維加入到耐火澆注料中會使材料的斷裂韌性增大，抗熱震和抗機械振動機沖擊性增大、抗拉、抗壓、抗彎曲和抗剪強度增大，抗裂紋擴展和抗剝落性增強。主要是因為鋼纖維能阻止耐火材料內(nèi)部裂紋擴展。加有鋼纖維的耐火材料中，如果擴展裂紋面對的是纖維，一旦初始裂紋有發(fā)展的趨勢，由于纖維拉拔效應(yīng)，其方向就可能改變或某些能量可能被消耗，使裂紋不再或少量擴展，其變化過程吸收抵消了裂紋擴展所需的能量。從而，推遲了宏觀裂紋的產(chǎn)生，提高了材料的性能。
適當提高澆注料的透氣性，可以提高澆注料抗爆裂、脫落的能力。通常提高澆注料透氣性的方法是在其組成中采用有助于透氣性的添加劑，如鋁粉和有機纖維等。但鋁粉使用不當，會破壞澆注料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生裂紋或鼓脹，甚至?xí)捎诜磻?yīng)生成的氫氣而導(dǎo)致遇火、爆炸。本實驗采用聚丙烯纖維，在烘烤過程中有機纖維受熱燃燒或熔化，從而在澆注料中形成微小的狹長氣孔，提高鋁材料的透氣性。
綜上所述，先分別以SiC、鋼纖維和聚丙烯纖維的加入量為研究對象，進行單因素實驗，測定不同溫度制度下、不同摻量時，澆注料的體積密度、顯氣孔率、抗折強度和抗壓強度，確定各因素的較優(yōu)摻量范圍分別為：SiC4~6%：鋼纖維0.5~1.5%，聚丙烯纖維0.025~0.075%。
復(fù)合外加劑和水同時按比例加入制作成試樣后，經(jīng)1400℃熱處理澆注料試樣的纖維結(jié)構(gòu)為排列非常致密，大量的剛玉顆粒（即棱形和圓形的剛玉顆粒）緊密結(jié)合，莫來石相與填充在其間隙的玻璃相想成連續(xù)基質(zhì)，剛玉顆粒與基質(zhì)中SiO2反應(yīng)生成的莫來石與基質(zhì)中的剛玉交錯存在，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在高溫作用下，玻璃相和熔融的SiO2微粉通過擴散，相互融合成型的玻璃相，填充在剛玉微粉和莫來石微粉的間隙，形成了連續(xù)基質(zhì)。莫來石化反應(yīng)使剛玉顆粒與基質(zhì)形成有機結(jié)合，既增強了材料的結(jié)合強度，也增強了其力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。試樣經(jīng)高溫處理后，基質(zhì)中的聚丙烯纖維溶解，留下一些由于燒結(jié)作用而呈現(xiàn)收縮和半收縮狀的氣孔。殘留氣孔為澆注料提供了良好的熱震穩(wěn)定性，剛玉和碳化硅顆粒分散在基質(zhì)中構(gòu)成了澆注料的骨架，使其具有較高的耐高溫和耐磨損等性能。
從理論上將SiC顆粒與AL2O3很難形成結(jié)合，這不僅是由于碳化硅晶體的晶格能和表面能都比較高，也由于含碳非氧化物與氧化物之間的難于潤濕。單SiC的高溫氧化行為改善了SiC的這一缺陷。經(jīng)過1400℃X3h處理后，碳化硅顆粒周邊有一白色環(huán)帶，宏觀上顆粒尖角部位變鈍，表面有反射光澤，此即為被氧化的碳化硅顆粒，其外表面幾乎為純的SiO2，SiO2沉積在顆粒表面形成保護膜，將SiC顆粒包裹住，阻止了SiC的繼續(xù)氧化。殘留的氣體則在SiC顆粒周圍形成氣孔。同時，顆粒表面高溫氧化生成的SiO2膜，也改善了SiC顆粒與基體的潤濕性，是SiC與基體直接結(jié)合的媒介。SiC顆粒表面的SiO2，降低了SiC顆粒的晶格能和表面能，改善了SiC顆粒與氧化物基質(zhì)的結(jié)合性，使其能夠與基體形成較好的結(jié)合。從而，賦予了材料良好的綜合性能。從試樣分析結(jié)果看礦物物相主要是剛玉、莫來石、碳化硅。