氧化鋁基耐火材料沖蝕磨損的試驗研究及其有限元模擬.pdf

1、沖蝕磨損特別是高溫沖蝕磨損嚴重地降低耐火材料的使用壽命,影響工業(yè)生產并造成較大的經濟損失。本文以三種應用廣泛的氧化鋁基耐火材料I等高鋁磚、III等高鋁磚和硅莫磚為靶材,以石英砂、棕剛玉、碳化硅為磨料,分別在氣流噴砂式常溫沖蝕儀和自由落體式高溫沖蝕儀上進行沖蝕磨損試驗,借助掃描電鏡(SEM)分析沖蝕后靶材和磨料顆粒表面形貌的變化,系統(tǒng)研究磨料硬度、磨料形狀、磨料粒徑、沖蝕溫度、沖蝕角、材料性質對材料沖蝕磨損率的影響,并探討不同試驗條件下的

2、沖蝕機理。針對線彈性和Johnson-Homquist(JH-2)兩種類型的材料,借助有限元動力分析軟件ANSYS/LS-DYNA,建立三維單粒子和多粒子沖蝕模型。在實驗條件參數(shù)的基礎上分析實際沖蝕過程,獲取相關參數(shù)如磨料和靶材的位移、應力大小與分布、接觸時間、能量、沖蝕磨損率、沖后形貌等,主要研究磨料形狀和粒徑對沖蝕磨損率和靶材沖蝕應力的影響,為脆性材料的沖蝕磨損研究提供一定的理論依據(jù)。
　　本研究得到了如下結果:
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3、沖蝕試驗結果表明沖蝕磨損率隨著磨料顆粒圓度的增加而減小,并成指數(shù)關系,形狀指數(shù)n值為2.24,說明磨料形狀在本試驗條件下占主導地位。采用有限元模擬了常溫下球形、正方體、正四棱錐三種形狀磨料對III等高鋁磚的垂直沖蝕過程。正方體和正四棱錐的接觸時間、壓入深度、沖擊效率均相當,且遠大于球形磨料;沖蝕磨損率隨著磨料顆粒圓度的增加而減小,與沖蝕試驗結果一致,只是單粒子沖蝕模擬結果略低于試驗結果,八粒子沖蝕模擬結果高于試驗結果。實驗中,磨料顆粒圓

4、度的變化是通過選取石英砂、棕剛玉和碳化硅三種磨料顆粒并用顯微鏡觀察而確定的。鈍性磨料(石英)的主要沖蝕機制是缺陷部位的斷裂和基質的切削;尖銳磨料(碳化硅)的主要沖蝕機制是骨料的斷裂和基質的犁削。
　　2 III等高鋁磚30°沖蝕角下沖蝕磨損率隨磨料粒徑的增加變化不大,90°下沖蝕率呈小幅下降趨勢,磨料粒徑在0.28mm時出現(xiàn)“粒徑效應”。I等高鋁磚30°和90°下沖蝕磨損率在小粒徑范圍內隨磨料粒徑的增加而增加,在粒徑0.40mm時

5、達最大值,0.52mm后變化不大,在磨料粒徑0.52mm時出現(xiàn)“粒徑效應”。采用有限元模擬研究了粒徑分別為0.27mm、0.40mm、0.50mm、0.80mm的磨料對 III等高鋁磚的垂直沖蝕過程,結果表明:靶材受沖擊后接觸區(qū)域表層受壓,非接觸區(qū)域表層受拉,拉應力最大值發(fā)生在接觸區(qū)域和非接觸區(qū)域邊界處,隨著磨料粒徑的增加而增加;接觸時間、壓入深度、沖擊效率均與磨料粒徑成正比;即使多粒子沖蝕模型也只預示到磨料粒徑大于0.5mm后沖蝕磨損

6、率和靶材最大等效應力增加緩慢,有限元模擬結果與沖蝕試驗結果出現(xiàn)了偏差。本文發(fā)現(xiàn)在實際沖蝕過程中,磨料在高應力作用下發(fā)生了破碎,磨料粒徑越大,越容易發(fā)生破碎,導致實際沖擊能減小,并認為這是引起沖蝕磨損率下降的原因。
　　3沖蝕溫度對沖蝕磨損性的影響與沖蝕角有關。I等高鋁磚和硅莫磚30°沖蝕角下磨損率隨著溫度的升高先增加后減小,800℃達到最大值;90°沖蝕角下磨損率隨溫度的升高一直下降。兩種磚的沖蝕機制相同:30°沖蝕角下,800℃

7、前為缺陷處的斷裂和微切削,800℃后主要為微切削,而不是脆性斷裂;90°沖蝕角下,800℃前為骨料斷裂和顆粒拔出,800℃后主要為微切削,也不是脆性斷裂。
　　4室溫下,I等高鋁磚和硅莫磚的沖蝕磨損率均隨著沖蝕角的增加而增加,90°取得最大值;1200℃下,I等高鋁磚的沖蝕磨損率隨著沖蝕角的增加微量增加,60°后保持不變,硅莫磚的沖蝕磨損率隨沖蝕角的增加先增加后減小,75°出現(xiàn)最大值。兩種材料在高溫下都出現(xiàn)了最大沖蝕角前移的現(xiàn)象。