锡槽底砖主要指标的含义与比较

1、锡槽底砖主要指标的含义与比较摘要：本文讨论了锡槽底砖的氢扩散度、透气度、应变率指标及其相互关系，并比较了国内外底砖的指标差异。关键词：锡槽底砖，氢扩散度，透气度，应变率1. 前言锡槽底砖是用于砌筑锡槽槽体内衬的特殊耐火材料，对其的质量要求着重在尺寸精度、结构均匀性、低发泡性及低渗透性等方面，对于耐压强度等一些常规的指标则无特殊要求。实际生产中发生的由底砖质量问题引起的事故主要有如下几方面：(1) 锡槽底砖冒泡，气泡上浮冲击未硬化的玻璃带，在玻璃下表面形成凹坑。(2) 玻璃释放的Na2O渗入底砖结构中，反应生成霞石类矿物，伴随20%左右的体积膨胀，反应层剥落上浮。(3) 砖体水平断裂，上半块上浮

2、。目前衡量底砖发泡倾向的指标为氢扩散度，一般认为氢扩散度小于150mmH2O即可防止冒泡。透气度则用于判断底砖抗Na2O的渗透能力，从一个侧面间接判断抗霞石化的能力，透气度越小，抗Na2O渗透能力越好。防止砖体水平断裂上浮的指标常用应变率，即砖体通过变形释放内应力的能力。本文在介绍氢扩散度，透气度，应变率及其相互关系之后，对国内外产品的性能指标作了比较讨论。2. 底砖的一些性能指标为了解决上述三方面的问题，相应对锡槽底砖提出了三方面的质量指标要求。以被试样所封闭的气室的压力与大气压力之差来表示，如图所示。测试时，先打开放空阀，再打开进气阀，此时U形计指示为零，进气持续几分钟后，同时关闭两阀(或

3、略微超前关闭进气阀，再关放空阀)。此时可以观察到U形计指示的气室内压力迅速下降，到最低点后回升，最低点的读数即是通常所指的氢扩散度，一般认为此值只要小于1471Pa(150mmH2O)即可保证不冒泡。氢扩散度实质上是氢向外扩散与空气向内扩散两种相反过程作用的平衡点。初期，由于氢分子小，扩散能力强，氢扩散速度远远高于空气扩散速度，净结果是气室中气体数量减少，压力下降。随着扩散的进展，气室中的氢气越来越少，扩散推动力渐渐消退，扩散速度逐渐放慢，逐渐接近空气向内的扩散速度，两者相等时，U形压力计指示达最低点(即最大负压)。此后，空气向内扩散速度高于氢气向外扩散速度，故压力出现回升。可见，氢扩散度指标

4、并非代表氢气通过一定面积和厚度的试样的能力，而是代表氢气与空气通过该试样的相对能力，其数值受氢扩散速度及空气扩散速度两因素的制约。氢扩散度小，并不一定表示氢气通过试样的能力弱。我们曾使用二种完全不同的耐火材料试样进行氢扩散度测定，得到数值却基本相同。一种试样是电熔砖样品，其气孔率极低，显然氢气透过此样品的能力是极微的。另一种用经300oC高温烘干处理的耐火混凝土样品，样品中大量水烘走后，形成许多可供氢扩散的快速通道，有很强的氢透过能力。两种样品的氢扩散度测定值均很低，只有几个毫米水柱。显然，第一种样品气孔率极低，氢及空气的通过能力均很弱，气室中气体量变化很小，因此压力变化也很小，氢扩散度指标很

5、低。而第二种样品中烘干以后留下的微孔直径较大，为空气及氢气提供了同样的快速通道，结果是氢往外渗透很快，空气往里扩散也很快，气室中气体量同样变化很小，氢扩散度指标读数当然也很小。如果机械地从氢扩散度字面及数值理解，势必得出“氢通过第二种试样扩散的能力也很弱”的错误结论。2.2 透气度透气度是指有压差的气体透过耐火材料的能力。根据流体力学原理，在层流条件下，当气体通过试样时，流过气体的体积(V)与试样两端的压力差( P)、试样的截面积(F)以及通气时间(t)成正比，和试样的高度(h)及气体粘度( n)成反比。即：V=KPtF/(nh), 比例常数K即为透气度，K=Vnh/(PtF) 。一般用空气进

6、行透气度测定。不同种类烧结耐火材料的透气度指标差别较大，范围可达零点几nPm至几十nPm。透气度指标一般用于衡量耐火材料抗渗透侵蚀的能力。透气度大，说明耐火材料中贯通的导流型气孔较多，孔径偏大，侵蚀介质易渗入耐火材料中。具体对底砖耐火材料，就是氧化钠较易渗入砖体引起霞石化剥落。如不考虑其他因数，单从抗霞石化角度出发，底砖的透气度越小越好。2.3 应变率测定锡槽底砖应变率，一般采用60 mm X 60 mm X 130 mm的试样，将其竖直放置于材料试验机上加压，记录载荷下试样高度的变形量，试样达到极限屈服前的最大变形量与其原高度之比的百分数即为应变率。应变率较大的底砖，其砖体弹性较好，受热膨胀

7、产生的较高挤压应力能通过变形得到部分释放，避免了应力蓄积引起砖体断裂浮起。国外70年代多次发生底砖“7英寸断裂上浮”事故，当时所使用底砖的应变率一般小于0.5%，砖与砖之间的胀缝也较小，砖体承受极大应力，导致沿固定螺栓孔锥台处水平断裂，砖体上半部分浮起。改用高应变率的机压砖和更高级的真空浇注砖后，尽管仍沿用小胀缝，此类事故再也没有出现。国外最新机压砖的应变率已超过0.7%, 真空浇注砖的应变率则高达1.5%。国内在槽底结构设计上一直采用大胀缝的做法，没有对应变率指标提出要求，故底砖生产厂并未刻意控制此指标，生产的底砖应变率为0.5%左右。一般来说，对特定成型方法生产的底砖，应变率与气孔率之间成

8、正比关系，即气孔率越大，应变率就越高。2.4 氢扩散度与透气度的关系在总气孔率为定值的情况下，氢扩散度与透气度之间存在依存关系，此关系依赖于气孔的分布形态。如气孔分布以空气分子能通过的大直径气孔为主，则透气度较大，而氢扩散度较小。当气孔分布以微细气孔为主时，氢分子能通过这些微细气孔而较大的空气分子则难以透过，此时透气度指标数值较小，氢扩散度指标则较大。需要注意的是：透气度较大时，表示试样透过空气及氢气的能力均较大，对于大分子空气能钻入的气孔，小分子的氢气当然也能钻入。理解氢扩散度与透气性两者之间反比关系的基础是注意避免混淆氢扩散度与氢透过能力二个不同概念。2.5气孔率与氢扩散度、透气度以及应变

9、率之间的关系在一般情况下，如果不去刻意追求气孔分布，只在气孔率大小方面进行人为控制，则实践中一般出现如下情况：气孔率越高，氢扩散度越大，透气度与砖的应变率也越大。在底砖生产工艺中，如果不考虑控制应变率参数，则可通过降低砖气孔率的办法获取低氢扩散度和低透气度的砖。国产底砖走的正是这样一条路，早期由于无专业厂家生产成品砖，浮法厂只能直接购入未经加工的粘土大砖，在现场自行加工。这些砖一般用于大窑池底，为安全起见，在设计上将槽底砖之间的膨胀缝留得比较大，以避免砖相互挤压，造成层裂上浮。后来虽出现多家专业底砖生产厂，但设计上仍沿用大胀缝做法，故一直未对砖提出应变率要求，生产厂无须费心在应变率及氢扩散度指

10、标之间进行平衡，单纯降低气孔率就可获得理想氢扩散度及透气度指标的砖。3. 国内外底砖性能的比较国内外主要牌号底砖的性能指标列于下表：理化性能德国机压砖美国真空浇注砖国产捣打砖国产振动浇注砖SiO2Al2O3 %Fe2O3R2O554038 4045显气孔率%体积密度g/cm3耐压强度Mpa氢扩散度mmH2O透气度 npm应变率 %2330<1501550<过比较不难发现国内外底砖的内在区别主要在于：(1)玻璃相含量不同：国外砖玻璃相含量在25%左右，国内砖仅含少量玻璃相。这种区别主要由Al2O3及R2O含量不同引起：国外砖Al2O3为38%40%，R2O为0

11、.9%1.5%; 国产砖的Al2O3含量高达43%48%，R2O含量则低于0.85%。(2)显气孔率：国外机压砖显气孔率高达20%23%，而国产类似砖的气孔率一般小于19%，多数在16%18%之间。(3)应变率：国外砖具有较高的应变率。获得高应变率的途径主要是保持较高的气孔率，因此国外非真空浇注砖的显气孔率在20%以上。真空浇注是一种特殊的工艺，用此工艺生产的底砖虽然显气孔率较低，但砖体结构均匀，且含有许多闭口气孔，加载时内部应力集中点较少，所以应变率很高。国产砖此指标差距较大，砖体弹性较差，使用时易发生断裂甚至上浮。由于国内浮法界对槽底预留较大胀缝的利弊了解不深，为安全起见，一直沿用大胀缝的

12、做法，使底砖在高温下不相互挤压，故对底砖应变率指标无特殊要求。今后在设计上如学习国外的经验，改用小胀缝，则须下工夫提高国产砖的应变率指标。(4)抗霞石化剥落：国内外砖在抗霞石化方面的主要区别在于抗霞石化的机理不同。从使用效果看，国内砖不比进口砖差，甚至有优于国外砖的纪录。进口砖由于强调高应变率，必须引入较多气孔。高气孔率带来的副作用是抗渗透性差，玻璃带释放出的Na2O易渗入砖体，与砖体组分反应生成霞石，伴随20%左右的体积膨胀，膨胀剪力导致反应产物剥落上浮。为解决此问题，就必须提高砖中玻璃相含量，玻璃相在反应产物膨胀时被挤入气孔中，一方面补偿霞石化的体积膨胀，另一方面堵塞Na2O进一步渗入的通

13、道，使霞石化限制在砖表面极薄的厚度范围内，最大限度地减小反应引起的膨胀剪力，防止反应物剥落上浮。国产砖抗霞石化的能力主要得益于较低的气孔率，Na2O难以渗入砖体内部，只在砖表面生成霞石薄层，不会剥落上浮。但如砖体存在开裂、掉角等缺陷时，缺陷附近砖体结构一般较疏松，Na2O较易侵入，霞石化层较厚，可观察到起拱甚至卷曲起皮现象。4. 结束语锡槽底砖是一种特殊的耐火材料，不能用常规指标来判断其质量优劣。国产底砖能满足目前国内浮法水平条件下的使用要求，要点是底砖之间应预留足够胀缝，防止水平断裂上浮。进口砖主要在应变率指标方面优于国产砖，对于一般锡槽而言，显示不出明显的优势。对于个别水平较高的锡槽，可考虑引进一些真空浇注砖用于高温区。