一種基於Z向破損深度的抗熱震性試驗方法與流程
2023-09-12 00:25:00 2
本發明屬於製品性能測試類，涉及測定耐火製品抗熱震性試驗方法，特別涉及一種基於z向破損深度的抗熱震性試驗方法。
背景技術：
抗熱震性是指耐火製品對溫度急劇變化所產生破損的抵抗性能。是耐火材料的力學性能和熱學性能在溫度變化條件下的綜合表現，是其重要的物理性能和使用性能。
我國自上世紀50年代就開始制定耐火材料抗熱震性的試驗方法標準，數十年來經過多次修訂，包括水急冷法、空氣急冷法。gb/t30873-2014《耐火材料抗熱震性試驗方法》包含4種試驗方法，其中方法1（水急冷法-直形磚試樣），是將長230㎜×114mm×65（75）mm的直形磚的114mm×65（75）mm試驗面50mm端頭在加熱爐內迅速加熱至1100±10℃，保溫20min，再將其受熱端迅速浸入（5～35）℃、流動的水中，使114mm×65（75）mm試驗面浸入水中50mm，並應使流入和流出水槽水的溫升不大於10℃，試樣在水槽中急劇冷卻3min後，再在空氣中保持5min。此為，一次急熱急冷循環過程，用5mm×5mm的方格網格測試試樣端面試驗前後端面破損率，如此這般，連續進行，直至達到預期的端面破損率，結束試驗。
試樣受熱端面破損率的計算，用「方格網」直接測量試驗前試樣受熱端面的方格數a1和試驗後未破損部分的方格數a2，按下式計算試樣受熱端面破損率：
σ=（a1-a2）/a1×100％
當σ=（50±5）％時，稱試樣受熱端面破損一半。
在急冷過程中，試樣受熱端面破損一半時，該次急熱急冷循環作為有效計算。當σ>55％時，該次無效。
試驗報告為：每塊試樣的抗熱震性次數。
現有技術的不足是：：
1、gb/t30873-2014，方法1（水急冷法-直形磚試樣）試驗結果的判定是用基於平面的「方格網」法，測量試樣在各個階段其受熱端面破損部分的方格數及其百分比為依據，因此「方格網」在試驗過程的測試設備組成鏈中，就是關鍵的測量器具。「方格網」是網孔尺寸5mm×5mm的金屬網製成，測量時由人工目力計數孔格數。在臨界處5mm×5mm網格內破損是不完整的，人工目力估計計數；同時測試時，試樣潮熱，需要熟練操作者，快速熟練的數格，並不測試破損面部分的破損深度。
2、試樣試驗端面的破損，是基於內應力的作用自內而外的破壞。急熱時，試樣試驗端在較低溫度下突然進入1100℃的爐膛中，當表面高溫向試樣試驗端面內部快速傳遞的時候，產生的熱應力（或內應力）致使試樣試驗端內部裂紋擴展或熱應力大於試樣試驗端局部結構強度而導致破損；試樣急冷時，也有類似的現象。因製品的材質、製備工藝等的不同，由內而外的表面破損形狀有很大的差異，有些是從試驗端50mm處，有些不足50mm，全部脫落、有些是從邊緣處塊狀或片狀脫落、有些是從角部塊狀或片狀脫落、有些是從114mm×65mm面內部塊狀或片狀脫落，不到5mm×5mm，僅僅只有數平方毫米；更有些製品，僅僅表面薄薄的一層炸裂或脫落，有些是顆粒或基質成小塊或片狀脫落、┈┈。顯然，現有國家標準，未規定試驗端破損深度的這個重要技術指標。因而，其端面破損僅僅是一個粗劣的泛泛的一個概念，檢測人員依據個人的習慣和偏愛取捨，缺乏科學、嚴謹、公正性。
3、耐火製品在工業爐應用中，由於急熱急冷爐體內部耐火材料的破損，脫落，其形狀如同上述2。以塊狀，甚至大塊脫落是致命的損壞，但，對於僅僅薄薄的表皮脫落，在一定的程度上，並不影響其使用。現行標準的判定方式，就存在了缺陷。
同樣，yb/t376.3—2004規定的長水口、浸入式水口、塞棒及定徑水口在經受急熱急冷的溫度突變後，通過觀察其表面是否出現裂紋來確定耐火製品的抗熱震性。所述的「觀察」依然是靠人工目力表面觀察，肉眼看，就會有誤差，費時費力。
現有標準的方法，完全依據「平面破損表徵」，並不測試試樣受熱端面的破損深度，沒有反映出破損深度與製品抗熱震性的關係。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基於z向破損深度的抗熱震性試驗方法，以克服現有技術只能測出試樣受熱端面的平面破損表徵、而不測試相應破損深度的方法缺陷。
本發明的目的可以採用以下技術方案來實現：
一種基於z向破損深度的抗熱震性試驗方法，在試驗機中特別設置有試樣試驗端面破損深度的測量裝置或量具，用於z向破損深度z值的測量，同時在試驗前進行試樣試驗端面xy向的原始面積a1的面積測量，每次急熱急冷循環後試樣試驗端面xy向的表觀破損面面積a2的面積測量；以σ=a2/a1×100%計算試樣試驗端面表觀損失率σ；以具有一定z向破損量z值的xy向平面的破損面積a（z）2佔其試驗前原始xy向平面面積a1的百分率β（z）=a（z）2/a1×100%計算試樣試驗端面基於z值的損失率β（z）；以達到設定的σ數值的急熱急冷循環次數rσ表示材料的表觀抗熱震性，並以達到設定的z和β（z）數值的急熱急冷循環次數r﹛z，β（z）﹜，表示材料的基於z值的抗熱震性；試驗報告中，包含基礎數據：設定的σ、z和β（z）數值和實際測試的急熱急冷循環次數的表觀抗熱震性rσ、基於z值的抗熱震性r｛z，β（z）﹜，以及由基礎數據衍生的破損指數，這些衍生的破損指數用於判斷耐火材料在高溫窯爐中使用的破損預期及壽命。
所述的試樣試驗端面表觀損失率σ，可分別設定為5%、10%、20%、30%、40%、50%等；
所述的z向破損深度z值，可以設定為大於等於0、1㎜、2㎜、5㎜、10㎜、20㎜、30㎜、40㎜或50㎜等，可在未破損與破損交界1mm等的位置處測量，應在試驗報告中註明；
所述的β（z），可以分別設定為5%、10%、20%、30%、40%、50%等；
所述設置在試驗機的試樣試驗端面破損深度測量裝置或量具，可以是紅外測距儀、雷射測距儀、可見光測距儀、聲波測距儀等非接觸式的，也可以是接觸式的深度計等；其測量解析度優於5mm，測量範圍不小於10mm；
所述用於面積測量的工具，可以是非接觸式的可讀數光學設備，也可以是接觸式的量具，其測量解析度優於5mm，測量範圍不小於114mm×65mm；
所述的由基礎數據衍生的破損指數，包括：表觀熱震脆性gσ、表觀抗熱震破損頻度r（σ50～σ5）和z值熱震脆性g｛z，β（z）﹜、z值抗熱震破損頻度r｛β（z）50～β（z）5﹜。
其表觀熱震脆性gσ是指，將經過一次急熱急冷循環rσ=1次即破損時記為100，經過一百次急熱急冷循環發生熱震損壞rσ=100次時記為1；在數值上，表觀熱震脆性gσ等於表觀抗熱震性rσ的倒數乘於100，即gσ=1/rσ×100；當σ≥（50±5）%時，g50為其抗熱震性次數r50的倒數×100，則g50=1/r50×100；其反映了耐火製品急熱急冷易破壞的特性，其值越大則越容易破損。
z值熱震脆性g｛z，β（z）﹜是指，g｛z，β（z）﹜=1/r｛z，β（z）﹜×100；當z=5mm，β（5）≥（50±5）%時，g（5，50）為其抗熱震性次數r（5，50）的倒數×100，則g（5，50）=1/r（5，50）×100，其值越大，在溫度急劇變化時其更易破裂；
表觀抗熱震頻度r（σ50～α5）是指，從產生最終破損的表觀破損率σ（如σ≥50%）的急熱急冷次數rσ（如r50）與一個產生初始破損的表觀破損率σ（如σ=5%）的急熱急冷次數rσ（如r5）的差值，即r（σ50～05）=r50-r5；也可以是其它，如r（σ40～σ5）、r（σ50～σ20）等。反映製品從產生初次破損到最終破損的劇烈程度；
z值抗熱震頻度r｛β（z）50～β（z）5﹜是指，從一個β（z）（如，z=5mm，β（5）=50%）的急熱急冷次數（如r（5，50））與一個產生初始破損β（z）（如，z=5mm，β（5）=5%）的急熱急冷次數r（5，5）的差值，即r｛β（5）50～β（5）5﹜=r（5，50）-r（5，5）；也可以是其它，如r｛β（5）40～β（5）5﹜、r｛β（5）50～β（5）20﹜等。
本發明的優點：⑴本發明以特別設置有試樣試驗端面破損深度的測量裝置或量具，用於z向破損深度z值（單位：mm）的測量，可精準地給出試樣受熱端面的破損狀況，特別是給出了破損點的破損深度，以表觀破損率、z值破損率、表觀抗熱震性、z值抗熱震性、表觀熱震脆性、z值熱震脆性、表觀抗熱震頻度、z值抗熱震頻度等，不僅描述了試樣受熱端面的表面破損表徵，而且更深刻地反映出試樣受熱端面各點破損的深度、破壞率、破損頻度，可以更精準地描述出試樣試驗端面破損深度與試樣破損率的關係，更準確地提出耐火製品抗熱震性的定義。提高了測試的準確性、測量精度和科學性。⑵對試樣試驗端面破損狀況（面積與深度）自動讀取、自動記錄、損失率自動分析歸檔、自動列印報告，省時省力。
附圖說明
附圖1為一種耐火製品水急冷法抗熱震性試驗機組成的示意圖。
圖中：1、加熱爐熱電偶，2、急熱加熱爐，3、耐火爐襯，4、加熱元件，5.1、水平狀態試樣（急熱前、急熱後），5.2、急熱狀態試樣，5.3、測試狀態試樣，5.4、急冷狀態試樣，6、爐門，7、夾持器，8、旋轉機構，9、移動機構，10、移動機構驅動器，11、雙目三維景深模組，12、雙目三維模組支架與通訊電纜，13.1、網際網路接口，13.2、印表機，14.1、智能上位機，14.2、上電按鈕，15、電控櫃，16、主機架，17、冷卻水入口，18、急冷水槽，19、冷卻水出口，20、爐門升降驅動機構，21、夾持器旋轉軸，22、急熱加熱爐爐膛。
具體實施方式
結合附圖1，說明本發明的具體實施例。
一種基於z向破損深度的抗熱震性試驗方法，其是在試驗機中特別設置有試樣試驗端面破損深度的測量裝置或量具，本實施例中在試驗機的試樣試驗端面破損深度測量裝置或量具，以及用於面積測量的工具，為雙目三維景深模組，用於z向破損深度z值（單位：mm）的測量，所述的z值，可以根據合同約定或試驗需要分別設定為大於等於0、1、2、5、10、20、30、40或50等（單位：㎜），在未破損與破損交界1mm等的位置處測量；同時在試驗前測試試樣試驗端面xy向的原始面積a1（單位：mm2），每次急熱急冷循環後，自動測試試樣試驗端面xy向的表觀破損面面積a2（單位：mm2）；以σ=a2/a1×100%計算試樣試驗端面表觀損失率σ（單位：%）,所述的σ，可以根據合同約定或試驗需要分別設定為5、10、20、30、40、50或其他（單位：％）；以具有一定z向破損量值z值（本實例取值為5mm）的xy向平面的破損面積a（z）2佔其試驗前原始xy向平面面積a1的百分率β（z）=a（z）2/a1×100%計算試樣試驗端面基於z值的損失率β（z）（單位：%），所述的β（z），可以根據合同約定或試驗需要分別設定為5、10、20、30、40、50或其他（單位：％）；以達到設定的σ數值的急熱急冷循環次數rσ（單位：次）表示材料的表觀抗熱震性，並以達到設定的z和β（z）數值的急熱急冷循環次數r﹛z，β（z）﹜（單位：次），表示材料的基於z值的抗熱震性；試驗報告中，包含基礎數據：設定的σ、z和β（z）數值和實際測試的急熱急冷循環次數的表觀抗熱震性rσ（單位：次）、基於z值的抗熱震性r｛z，β（z）﹜（單位：次），以及由基礎數據衍生的破損指數，這些衍生的破損指數有益於判斷耐火材料在高溫窯爐中使用的破損預期及壽命。
所述的由基礎數據衍生的破損指數，包括：表觀熱震脆性gσ、表觀抗熱震破損頻度r（σ50～σ5）和z值熱震脆性g｛z，β（z）﹜、z值抗熱震破損頻度r｛β（z）50～β（z）5﹜。
如圖1所示：完成本發明所述的一種基於z向破損深度的抗熱震性試驗方法的試驗機，其包括加熱爐熱電偶1，急熱加熱爐2，耐火爐襯3，加熱元件4，水平狀態試樣（急熱前、急熱後）5.1，急熱狀態試樣5.2，測試狀態試樣5.3，急冷狀態試樣5.4，爐門6，夾持器7，旋轉機構8，移動機構9，移動機構驅動器10，雙目三維景深模組11，雙目三維模組支架與通訊電纜12，網際網路接口13.1，印表機3.2，智能上位機4.1，上電按鈕14.2，電控櫃15，主機架16，冷卻水入口17，急冷水槽18，冷卻水出口19，爐門升降驅動機構20，夾持器旋轉軸21，急熱加熱爐爐膛22。
其相互位置關係：試樣5.2固定在夾持器7上，夾持器7後端連接在旋轉機構8上，旋轉機構8上安裝有夾持器旋轉軸21，夾持器旋轉軸21座與移動機構9聯接，移動機構9上安裝有移動機構驅動器10。在移動機構驅動器10的驅動下移動機構9帶動旋轉機構8前後水平移動，旋轉機構8帶動夾持器7和試樣在垂直方向旋轉、使試樣5.3到與水平呈30°的測試位、到達急熱前後的水平狀態試樣（急熱前、急熱後）位置、到達急熱狀態的試驗爐中急熱狀態試樣5.2位置、到達急冷狀態試樣5.4位置。啟動電控櫃15上的上電按鈕14.2，給設備電氣系統供電，設備自動到達初始狀態。在裝樣位安裝好測試狀態試樣5.3，雙目三維景深模組11在本實施例2中是試樣5試驗端面的面積和破損深度的測量裝置，與智能上位機14.1自動甄別試樣試驗端面形貌和測量面積a0，在智能上位機14.1上輸入試驗要求並記錄相關信息。智能上位機14.1發出指令，急熱加熱爐2加熱到試驗溫度，保持20min，旋轉機構8帶動夾持器7旋轉，到達急熱前後的水平狀態試樣（急熱前、急熱後）位置；爐門升降驅動機構20帶動爐門6，打開爐門6，移動機構9帶動夾持器7向急熱加熱爐2方向移動，直至急熱狀態試樣5.2進入急熱加熱爐2內50mm，保持20min，移動機構9帶動夾持器7離開急熱加熱爐2，到達水平狀態試樣5.1（急熱前、急熱後）位置；旋轉機構8帶動夾持器7旋轉，到達急冷狀態試樣5.4位置，保持3min，旋轉機構8帶動夾持器7旋轉，通過水平狀態試樣5.1（急熱前、急熱後）位置，然後到達測試狀態試樣5.3，雙目三維景深模組11與智能上位機14.1自動甄別試樣試驗端面形貌和測量面積a2等，按照實施例1繼續進行計算、往複試驗工作，直至結束，印表機13.2列印報告。
具體實施方法過程如下：
f1、試樣5準備：其操作方法依據gb/t30873-2014，備好三塊長230㎜×高114mm×寬65（75）mm的直形磚，並置於電熱鼓風乾燥箱中乾燥，用雙目三維景深視覺模組11（一種具有z向尺寸紅外測量和xy向平面尺寸可見光測量的非接觸式電子光學設備）採集試樣試驗端面的原始信息a1（單位：mm2），輸送到智能上位機14.1儲存備用。
f2、試樣5處理：向試樣5試驗面浸印耐火氧化鉻微粉，約0.1mm後，置入電熱鼓風乾燥箱中乾燥2h或在室溫下放置5h以上。
f3、裝樣：按gb/t30873-方法1的5.4.2安裝試樣5。
f4、啟動電源，給智能上位機14.1、雙目三維景深視覺模組11等機電設備供電。
f5、操作智能上位機14.1，試樣5試驗端面到測試位置，雙目三維景深視覺模組11自動甄別試樣5試驗端面的信息a0(此時a0=a1，但浸印前後試樣5試驗端面的rgb不同)，並將其輸入到智能上位機14.1。將試樣5名稱、試樣編號、委託單位、熱處理溫度、試樣試驗條件（試驗溫度1100℃，σ表觀破損率取50%，z的最小值取5mm）、試樣5試驗端面尺寸及一些特徵等基本信息輸入到智能上位機14.1。
f6、選擇或輸入升溫制度、試驗溫度、試驗結束條件等運行參數。
f7、啟動運行鍵，試驗爐自動加熱，加熱到試驗溫度（1100℃）自動保溫20min，打開爐門，試樣試驗端面進入爐膛內邊沿50mm以內，爐溫在5min內恢復到試驗溫度，開始保溫計時；供水系統自動供水；試樣試驗端面在爐內保溫20min後，試樣試驗端面迅速垂直進入水槽水位線下50mm，距水槽底部大於20mm處，開始急冷計時，保持流出和流入水槽的溫度升高不大於10℃，關閉爐門，當試樣急冷3min時，試樣試驗端面移到待測位置，約5min，啟動雙目三維景深視覺模組，自動甄別急熱急冷後試樣試驗端面xy平面的破損a（5）2（單位：mm2）和z向破損深度的情景與數據z（單位：mm），將其輸送到智能上位機14.1，與試樣5未塗色的原始端面a1和塗色後的端面信息a0，在智能上位機14.1上快速運算，按σ=a2/a1×100％計算表觀破損率，按β（5）=a（5）2/a1×100%計算試樣試驗端面基於z值的損失率β（5）；當σ和β（5）小於（50±5）％時，打開爐口，試樣迅速送入爐內50mm，進行第二次急熱，保持20min，試樣從爐內移出，進入水槽，急冷3min；測試，計算；如此往復，直至滿足f8的試驗結束條件時試驗結束。
f8、試驗結束條件：
f8.1試驗達到了任何預設（σ和或z和或β（z））的試驗條件的循環次數；
f8.2設定試樣試驗端面表觀破損率σ剛剛大於等於（50±5）％的循環次數，同時報告z和β（z）；
f8.3設定z的最小值為5mm的循環次數，同時報告試樣試驗端面破損率β（5）和σ值；
f8.4其他情況的停止。
f9計算並報告：除包含gb/t30873方法1的報告項目外，還應包含表觀破損率σ的5%、10%、20%、30%、40%、50%急熱急冷循環次數r5、r10、r20、r30、r40、r50及對應的β（5）、r（5，5）、r（5，10）、r（5，20）、r（5，30）、r（5，40）、r（5，50）和其相應的三維圖像，該基礎數據信息經智能上位機14.1給出了試樣5的表觀熱震脆性g5、g10、g20、g30、g40、g50等，z值熱震脆性g（5，5）、g（5，10）、g（5，20）、g（5，30）、g（5，40）、g（5，50）和表觀抗熱震頻度r（σ50～σ5）和z值抗熱震頻度r｛β（5）50～β（5）5﹜等。
按照上述方法，三塊高鋁磚部分測試數據（見表一）和試驗報告（見表二）如下：
表一測試數據
表二試驗報告