星辉石炉衬试验与验证方法

文档信息 #

1 适用范围 #

本文件规定了星辉石炉衬在冶炼炉、精炼炉及魔导炼金高温反应容器中使用的试验与验证方法。适用于新建炉衬的工艺验证、在役炉衬的定期复验、修补后的局部验证及失效分析时的对比试验。不适用于炉体钢结构强度校核、普通耐火浇注料通用评价以及非星辉石炉衬类型的直接套用。

2 规范性引用文件 #

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

• MTM-MAT-GEN-001 梅特梅林材料产品与牌号体系概览
• MTM-MAT-AFF-101 高魔力亲和合金的基础性能与适用边界
• MTM-MAT-THM-204 阵纹热形变与基材残余应力控制

3 术语和定义 #

• 星辉石炉衬：以星辉石伴生矿物为主要骨料，经高压成型、高温烧结和界面处理制成的炉衬材料。
• 热震稳定性：材料抵抗急冷急热作用而不发生开裂或剥落的能力，以规定循环次数后的表面剥落面积和残余强度保持率表示。
• 炉衬剥落：炉衬工作层在热应力、机械应力或化学反应作用下局部或成片脱离基体的现象。
• 残余应力：材料在无外载条件下内部保持的应力场，由热梯度、相变或成型过程引入。
• 阵纹热形变：炉衬内嵌铭刻阵面或人工接口在温度场变化下产生的几何漂移，包括线宽变化、节点位移和相位路径偏差。
• 亲和衰减：炉衬表面或嵌入式接口材料在长期运行后对标准激励响应的下降量，以相对于初始值的百分比表示。
• 验证批次：在同一生产批次中随机抽取的用于试验的炉衬试样组。
• 见证件：与炉衬同批次、同工艺制作的独立试块，用于在炉役期间或停炉后替代性评价。

4 材料与设备要求 #

4.1 试样要求 #

试样取自星辉石炉衬工作层，尺寸为 150 mm×150 mm×50 mm 的板状试块，或 40 mm×40 mm×160 mm 的长条试块。试块表面应平整，无明显裂纹、孔洞或污染。验证批次每组不少于 6 块；见证件每炉役至少 3 块。

4.2 主要试验设备 #

• 箱式电阻炉：额定温度 1600°C，炉膛均温性 ±10°C，升温速率可调范围 5–20°C/min。
• 热震试验装置：包含 1200°C 恒温区和 20°C 冷却水槽，转移时间不超过 5 s。
• 热循环试验箱 MTM-TC-20：温度范围 -20°C 至 1200°C，控温精度 ±2°C，升降温速率 1–30°C/min。
• 激光散斑残余应力仪 MTM-SD-8：测量范围 0–800 MPa，分辨率 1 MPa，适用温度 20–300°C。
• 光学坐标测量机 MTM-OM-5：测量行程 600 mm×400 mm，精度 ±(2+L/300) μm。
• 红外热像仪 MTM-IR-2A：温度范围 300–2000°C，热灵敏度 ≤0.05°C，空间分辨率 640×480。
• 真空热处理炉 MTM-HT-3000：用于模拟无氧化环境下的高温运行。
• 标准亲和基准块 MTM-REF-03：用于魔力亲和对比测量，规定 AI=100.0。

4.3 辅助材料 #

• 标准侵蚀渣：组成按质量分数为 CaO 45%、SiO2 35%、Al2O3 8%、FeO 7%、MgO 3%、MnO 2%，粒度≤0.15 mm。
• 去离子水：电导率 ≤5 μS/cm。
• 碳化硅垫板：用于支撑试样，防止与炉底板粘连。

5 技术原理 #

星辉石炉衬的运行环境同时承受高温熔体、热梯度、普通电热及魔导热载荷。失效的本质是热应力与魔导载荷叠加引起基材内部微裂纹萌生与扩展，进而导致结合相弱化、界面极化或嵌入式阵面几何漂移。试验采用热震、热循环、静态侵蚀和残余应力测量等手段，模拟实际热工与魔导条件，通过对比试验前后物理性能、几何精度和亲和性变化，建立炉衬可用性与剩余寿命的判定依据。

魔导热载荷不作为独立无损载荷处理。按魔导工程量模型，热流密度以持续魔力载荷密度（CML）和峰值短时载荷（PTL）表达，单位 kWm/cm²。CML 用于长时间稳态考核，PTL 必须绑定脉宽、日循环次数和恢复窗口。炉衬内温差梯度和魔导热流共同产生热弹性应力，当应力超过结合相断裂强度时形成微裂纹，进而引发剥落或阵纹漂移。

6 试验参数 #

表 1 星辉石炉衬关键试验参数

注：AE 为阵法执行精度，按相对初始值的百分比变化评价。

7 操作程序 #

7.1 试样制备与初始检测 #

取验证批次试样，清洗，干燥，记录质量、尺寸、外观。用 MTM-OM-5 测量初始几何尺寸，用 MTM-SD-8 测量初始残余应力。对含嵌入式阵面的炉衬试样，记录初始阵纹节点坐标与线宽。

7.2 热震试验 #

将试样置于 1200°C 电阻炉中保温 30 min，快速取出浸入 20°C 水槽，转移时间不超过 5 s。水淬后自然干燥，检查表面剥落情况，记录剥落面积。重复循环，直到规定次数或出现提前失效。

7.3 热循环体积稳定性试验 #

将试样放入 MTM-TC-20 热循环试验箱，设定升温速率 10°C/min，升温至 800°C 保温 60 min，然后以 5°C/min 冷却至 200°C，再自然冷却。每 100 次循环取出冷却至室温，测量长、宽、高，计算体积变化。

7.4 应力和形变复测 #

完成热循环后，再使用 MTM-SD-8 和 MTM-OM-5 测量残余应力和几何尺寸。若要求阵纹热形变数据，则在 20°C、400°C、800°C 三个温度点测量，每个温度点保持 2 h。

7.5 魔导载荷试验 #

对指定炉衬试样，安装于专用试验台，采用标准激励源加载。先进行 CML 试验，表面控制在 1000°C。记录加载前后亲和量值，使用 MTM-REF-03 校准测量系统。PTL 试验按表 1 参数执行，每日最多 8 次，单次间隔不少于 10 min。每次加载后目视及用红外热像仪检查异常热点。

7.6 抗渣侵蚀试验 #

将 40 mm 立方试样置于坩埚内，填入标准渣覆盖，放入箱式电阻炉，1350°C 保温 4 h，随炉冷却至 300°C 以下取出，纵切测量侵蚀深度。

7.7 数据处理与报告 #

所有测量数据应记录在案，包括设备编号、环境温湿度、操作人员、日期。计算平均值、标准偏差。报告应包含试样编号、批次号、试验条件、前后对比数据、判定结论。数据报告由材料工程中心核准。

8 失效模式与判据 #

炉衬主要失效模式及对应判据：

• 热震剥落：热震循环后表面剥落面积达到 5% 或出现贯穿性裂纹，判为不合格。
• 侵蚀剥落：静态抗渣侵蚀平均深度超过 1.5 mm 或最大深度超过 3 mm，判为不合格。
• 体积失稳：热循环后体积变化率超过 0.5%，或出现不可逆膨胀/收缩导致炉衬间隙异常，判为不合格。
• 亲和衰减：魔导 CML 试验后亲和衰减超过 10%，或阵面执行精度下降超过 2%，判为不合格。
• 阵纹漂移：阵纹节点位移超过 0.05 mm 或线宽变化超过 ±0.01 mm，且经校准后仍不可恢复，判为不合格。
• 结构剥落：在役炉衬出现成片剥落、深度超过 25 mm 或面积超过 0.3 m²，应立即停炉检修。

9 安全警告 #

• 高温操作必须穿戴隔热防护服、面罩和耐高温手套。
• 水淬过程会产生大量蒸汽，试验区域应保持通风并设置防烫伤屏障。
• 魔导加载试验时，无关人员不得进入试验舱，操作人员必须接受相应资质培训。
• 试验结束后，设备应断电、泄压、冷却至 40°C 以下方可清理。
• 标准侵蚀渣含碱性氧化物，避免与皮肤接触，防止吸入粉尘。
• 任何异常情况立即启动急停，并记录。

10 维护与检测 #

在役星辉石炉衬应执行定期检测：

• 每 30 个炉役或运行 6 个月（以先到者为准）取芯进行热震和残余应力复验。
• 每 10 个炉役使用 MTM-IR-2A 对炉衬工作面进行热像巡检，记录热点分布。
• 停炉检修时，使用 MTM-OM-5 对嵌入式阵面进行几何复核，使用 MTM-REF-03 进行亲和对比。
• 若发现局部剥落或侵蚀深度接近判据，应扩大检测范围并增加见证件试验频次。

11 相关文档 #

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12 修订记录 #