Выпускная квалификационная работа

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Появление, активное становление и развитие различных промышленных предприятий машиностроения и металлообработки, химической и нефтехимической промышленности, промышленности строительных материалов, приборостроения и радиоэлектроники, авиационной промышленности и ракетостроения и ряда других, требуют от применяемых конструкционных материалов особых эксплуатационных качеств для их применения в условиях высоких температур и давлений. Эти материалы должны обладать значительной прочностью, высокой огнеупорностью, хорошей термической и химической устойчивостью. Больше всего этим требованиям отвечает техническая керамика, так как она обладает рядом универсальных свойств, например, не содержит примесей, устойчива к перепадам температур, атмосферным воздействиям, обладает высокими антикоррозийными свойствами, обладает химической стойкостью и стойкостью к механическим повреждениям всякого рода.
…

1 КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СТАРЕНИЕ

Различные керамические материалы из чистых окислов в зависимости от их природы и первоначальной микроструктуры по–разному подвержены процессам термического старения. В наибольшей степени изменяют микроструктуру и свойства материалы, изготовленные из тонкодисперсных порошков, которые после спекания характеризуются мелкокристаллическим строением и имеют межкристаллическую и внутрикристаллическую пористость. При длительных высокотемпературных нагревах таких материалов наблюдается быстрый рост кристаллов, что приводит к заметному изменению свойств, а удаление пористости способствуют изменению размеров изделий. Для уменьшения степени старения в условиях службы целесообразно использовать максимально плотные материалы с достаточно большим размером кристаллов, которые могут быть получены при повышенных температурах спекания, а температуры применения их должны быть на 200-300°С ниже, чем температуры первоначального обжига.
…

1.1 Старение керамических материалов

Возникновение и интенсивное развитие таких отраслей промышленности, как радиоэлектроника, ядерная энергетика, авиационная техника, ракетостроение, и ряда других потребовали от используемых конструкционных материалов особых эксплуатационных свойств для работы в условиях высоких температур и давлений. Эти материалы должны обладать значительной прочностью, высокой огнеупорностью, хорошей термической и химической устойчивостью. В большей степени этим требованиям отвечает керамика, особенно новый ее вид, называемый технической или специальной. К ней относится керамика из чистых окислов, имеющих температуру плавления, равную 2000°С и более, что позволяет широко использовать изделия из нее в качестве высокоогнеупорных конструкций, под воздействием статических и динамических нагрузок. Производство и применение керамики из высокоогнеупорных окислов с каждым годом расширяется, а технология совершенствуется.
…

1.1.2 Изменение физико – технических характеристик керамики в условиях службы

Керамические материалы широко применяются при высоких температурах во многих областях техники. При этом температуры применения могут быть различными; разнообразными могут быть и требования, предъявляемые к изделиям. Наиболее общим является требование в отношении стабильности, неизменности свойств в течение всего времени службы при высоких температурах.
Выше было показано, что процессы, связанные с изменением микроструктуры керамики, довольно активно продолжаются при последующих длительных нагревах изделий. Скорость этого процесса неодинакова для различных окислов и обусловливается, по-видимому, природой окисла, природой исходного порошка, исходной плотностью керамики, размером кристаллов, фазовым составом, а также температурой и временем старения. При изменении микроструктуры происходит изменение всех структурно чувствительных свойств.
…

1.2.1 Старение композиционной безобжиговой керамики

При длительной службе огнеупоры разрушаются в результате старения. При старении идет коренное перерождение структуры, которое сопровождается изменением пористости, прочности, ползучести, термостойкости и других свойств. Коренное изменение структуры обусловлено собирательной рекристаллизацией; увеличивается размер кристаллов за счет мелких, происходит коалесценция пор и расползание их по границам зерен, разъединение зерен. Старение до некоторой степени зависит от начальных свойств. Некоторые искусственно введенные примеси задерживают рекристаллизацию и, следовательно, старение.
Придается большое значение фрагментации огнеупоров (процесс формирования субструктуры в материале под действием внешних или внутренних напряжений), как фактору термостойкости, прочности при высоких температурах и спекания.
На рисунке 7.8 показан опыт С. В. Смирнова. На пластинку из поликора были алмазным инструментом нанесены трещины глубиной 40 мкм.
…

1.2.2 Влияние температуры на срок службы безобжиговой керамики

Деформацию образцов огнеупорных изделий при повышении температуры определяют под нагрузкой 0,2 МПа, соответствующей среднему давлению, воспринимаемому огнеупорным изделием в нижней части футеровки стены от собственной массы высотой 10 м при объемной массе изделий 2 г/см3. Регистрируют температуры начала размягчения, при которой высота образца под давлением 0,2 МПа уменьшается на 0,6 (t0,6,p) и на 4% (t4,p). В координатах получаются ломаные линии, причем точки излома приходятся на одни и те же температуры для данного материала при разных нагрузках, а для разных материалов (шамот, магнезит, высокоглиноземистые и другие огнеупоры) – при одинаковой нагрузке. Точка перегиба соответствует определенной вязкости жидкой фазы. Наклон кривых меняется в зависимости от характера разрушения – хрупкого или вязкого [8].
…

1.2.3 Деформация при нагреве

На всех кривых, полученных при нагревании предварительно термообработанных при температуре 300°С образцов (рис.1.9) имеется перегиб в интервале 450–750°С, который исчезает при повышении температуры предварительной термообработки до 900°С и выше (рис.1.10). Наличие перегиба связано с взаимодействием компонентов и дальнейшей эволюцией структуры цементного каркаса, образовавшегося при предварительной термообработке до 300°С.

Рисунок 1.9
Деформация при нагревании термообработанных при 300°С образцов цемента; нагрузка, МПа: 1- 0,04; 2- 0,2; 3-0,4; 4- 0,6 и 5- 0,8

Рисунок 1.10
Деформация при нагревании цемента (0,2 МПа) после предварительной термообработки при температуре, °С: 1- 300; 2- 900 и 3- 1400

Из данных рисунка 1.9, видно, что до температуры порядка 1100°С наблюдается расширение, причем чем выше нагрузка, тем оно меньше; при дальнейшем нагреве происходит сжатие.
…

1.2.4 Ползучесть

В целях уточнения механизмов деформации и получения данных для развития технологии безусадочных или малоусадочных материалов с учетом их термообработки под нагрузкой были проведены исследования ползучести при первом и повторном нагревах с использованием цементного состава α – Al2O3–H3PO4 (Т:Ж=4:1). Первый, второй и третий нагревы до 1320°С осуществляли под стандартной нагрузкой 0,2 МПа (рис.1.11).

Рисунок 1.11
Кривые деформации состава α – Al2O3 – H3PO4 (Т:Ж=4:1) при нагревании до 1320°С (0,2 МПа) и изотермических выдержках при этой температуре: 1 – первый, 2 – второй, 3 – третий нагревы

На кривой 1 при первичном нагреве можно выделить два временных интервала: до 14 ч. и более 14 ч.; вначале ползучесть имеет неустановившийся характер, а затем наступает установившаяся стадия. Участок неустановившейся деформации определяется физико-химическими процессами гомогенизации состава, вызывающими изменения структуры.
…

2.1 Методы исследования и методики

Способ определения деформации керамических материалов относится к измерительной технике и может быть использован для определения деформации керамических материалов, преимущественно технической керамики в процессе обжига.
Изобретение относится к устройствам для физико-механических испытаний расширяющихся растворов и бетонов, в особенности растворов и бетонов на направляющем цементе, в частности для определения самонапряжения напрягающих растворов и бетонов, особенно разрушающихся при расширении, при ограничении деформаций расширения образцов в одном, двух и трех направлениях.

2.1.1 Методы исследования

При исследовании ползучести особенно приходится считаться с экспериментальными трудностями, связанными с созданием и поддержанием высоких температур, напряжения и с замером малых деформаций.
…

2.1.2 Оборудование

Для определения высокотемпературной деформации и ползучести материалов проводят испытания на однопозиционной установке, при температурах до 1550°С и нагрузках до 5 МПа методом одноосного сжатия.
Принципиальная схема установки показана на рисунке 2.5. Она состоит из электрической печи 1 с карбидокремниевыми нагревателями 2, расположенными в футеровке печи параллельно оси образца. Печь имеет разъем, плоскость которого делит ее на две симметричные половины, скрепленные между собой при помощи шарниров 3. Это позволяет легко открывать и закрывать печь во время замены испытываемого образца 4. При раскрытом положении печи образец устанавливают на нижний нагружающий стержень из карбида кремния 5, который закреплен в обойме с охлаждающей рубашкой 6. Перемещение нижнего стержня по высоте регулируется установочным болтом. После установки верхнего нагружающего стержня 7 на образец диаметром 36 мм и высотой 50 или 76 мм печь закрывается.
…

2.1.3 Выбор составов

В работе исследовались материалы, наиболее часто применяемые в технике высоких температур.
В качестве материалов для изготовления образцов изделий применялись: Al2O3 – корунд различных фракций, глинозем, огнеупорная глина, шамот трех фракций, суракаевская глина, каолин. Результаты их химического анализа и зернового состава приведены в работе [9], а суракаевской глины, как малоизученного сырья, приведены в таблицах 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1
Химический анализ суракаевской глины

Наим. пробы
Содержание оксидов в перерасчете на сухое вещество, %

Al2O3 в прокаленном состоянии,%

Содержание свободного кварца, %

Классификация сырья по ГОСТ 9169-75

Потери при прокаливании

SiO2

Al2O3

TiO2

Fe2O3

CaO

MgO

O3 общ

Na2O+K2O

сум-ма

Глинистое сырье участка “Суракай”

7,86

2,42
21,74

1,69

1,75

2,44

1,40

0,12

0,16
99,58

23,59

33,38

полукислое

Таблица 2.2
Зерновой состав суракаевской глины

№ проб и выработок
Зерновой состав по ГОСТ 21216.2.
…

2.2 Исследование высокотемпературной деформации и ползучести

• Испытание корундовых огнеупоров;
Вначале исследовали деформацию первых трех корундовых образцов (табл.2.3). Диаметр и высота 15х15 мм. Термообработка образцов до 300°С со скоростью 10 град/мин., и 1 час при температуре 900°С.
Для установления деформации в условиях одноосного сжатия при нагреве и под нагрузкой были выбраны параметры: 1) Т=1200°С, τ=7,5 ч, р=0,2 МПа; 2) Т=1300°С, τ=7,5 ч, р=0,2 МПа; 3) Т=1300°С, τ=7,5 ч, р=0,4 МПа.
Проведение испытаний на деформацию и ползучесть под стандартной нагрузкой 0,2 МПа при температуре 1200°С в течение 7,5 часов показали на отсутствие 1%-ой деформации (рис.2.12).

Рисунок 2.12
Вид кривой деформации и ползучести при 1200°С

Деформация и ползучесть при повышении температуры до 1300°С не приводит к старению керамики в течение 7,5 часов (рис. 2.13).
…