氧化鋁基耐火材料沖蝕磨損的試驗(yàn)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(yán)重地降低耐火材料的使用壽命,影響工業(yè)生產(chǎn)并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文以三種應(yīng)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(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn),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(zhì)對材料沖蝕磨損率的影響,并探討不同試驗(yàn)條件下的

2、沖蝕機(jī)理。針對線彈性和Johnson-Homquist(JH-2)兩種類型的材料,借助有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖嗀NSYS/LS-DYNA,建立三維單粒子和多粒子沖蝕模型。在實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)的基礎(chǔ)上分析實(shí)際沖蝕過程,獲取相關(guān)參數(shù)如磨料和靶材的位移、應(yīng)力大小與分布、接觸時(shí)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(yīng)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(jié)果:
　　1

3、沖蝕試驗(yàn)結(jié)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(guān)系,形狀指數(shù)n值為2.24,說明磨料形狀在本試驗(yàn)條件下占主導(dǎo)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(shí)間、壓入深度、沖擊效率均相當(dāng),且遠(yuǎn)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(yàn)結(jié)果一致,只是單粒子沖蝕模擬結(jié)果略低于試驗(yàn)結(jié)果,八粒子沖蝕模擬結(jié)果高于試驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(jī)制是缺陷部位的斷裂和基質(zhì)的切削;尖銳磨料(碳化硅)的主要沖蝕機(jī)制是骨料的斷裂和基質(zhì)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(shí)出現(xiàn)“粒徑效應(yīng)”。I等高鋁磚30°和90°下沖蝕磨損率在小粒徑范圍內(nèi)隨磨料粒徑的增加而增加,在粒徑0.40mm時(shí)

5、達(dá)最大值,0.52mm后變化不大,在磨料粒徑0.52mm時(shí)出現(xiàn)“粒徑效應(yīng)”。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(jié)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(yīng)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(shí)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(yù)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(yīng)力增加緩慢,有限元模擬結(jié)果與沖蝕試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了偏差。本文發(fā)現(xiàn)在實(shí)際沖蝕過程中,磨料在高應(yīng)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(dǎo)致實(shí)際沖擊能減小,并認(rèn)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(guān)。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(dá)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(jī)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。