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耐热钢纤维的发展与应用特性

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发布时间:2022-03-21

摘 要:本文主要介绍了钢纤维的发展及其特点,并对以郑州玄华钢纤维有限公 司为代表的钢纤维生产企业的生产方法及其产业应用做出了详细概述。

关键词:钢纤维;耐热钢纤维;应用 

1. 耐热钢纤维

 1.1. 钢纤维的定义 

钢纤维是指以切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢链铣削或钢水快速冷凝法制 成长径比为 20~80 的纤维。不同的制取方式产出的钢纤维性能也不一样。随着钢 纤维应用越来越广泛,其种类也越来越多,带动了钢纤维生产及应用行业的发展, 其中,以郑州玄华钢纤维有限公司为代表。

1.2. 耐热钢纤维的发展 

随着国内外增强复合材料的广泛应用,钢纤维的用量不断增加,如何高效率, 低成本地制造出性能良好的钢纤维,就成为钢纤维复合材料研究的重要课题.钢纤维制造方法研究课题包括三个方面,其一是如何使所生产的钢纤维具有较高的 增强效果,其二是如何降低纤维制造成本;第三是如何改善纤维的施工工艺性能 (包括运输方便,搅拌时不结团).国外对钢纤维的研究已取得了许多重大成果, 特别是在提高钢纤维性能方面的研究尤为显著,研制出许多性能良好的钢纤维, 对于提高钢纤维复合材料的性能有重要意义.我国在钢纤维的研究方面起步较晚, 但发展很快,目前全国已有近二十几家生产工厂,产量已具有一定规模,但生产 的钢纤维大多为平直形纤维,增强效果不理想,只有少数几家能生产增强效果较 好的熔抽或异形钢纤维.另外钢纤维的价格较贵,在一定程度上影响了钢纤维复 合材料的应用.如何提高钢纤维的质量,降低成本,是当前需要解决的课题。在 这种情况下给各类钢纤维的应用分类起到较好的适用效果。不同领域用到不同钢 纤维,既能起到不错的效果又能节省成本。 

国外早期使用的钢纤维,是用冷拔钢丝切制而成的。这种方法设备简单,但原材料价格昂贵,生产成本高不经济。为了降低钢纤维的生产成本,国外一些公司开始采用溥钢带为原料,用旋转多齿切刀与固定切刀之间的冲剪作用切制钢纤 维(简称旋风剪切法)由于薄钢带的成本较钢丝低,所以截切钢纤维的价格较冷 拔钢纤维低,故得到广泛应用.也是对我国钢纤维生产业影响较大的一种方法。这两种钢纤维普遍用于渗入到混凝土当中是近年来研究和应用最广的复合材料 之一。与普通混凝土相比,钢纤维混凝土具有较高的抗拉与抗弯强度,尤其使韧 性提高的幅度显著。由于钢纤维均匀地乱向分布在混凝土内共同参与工作,显著地提高了混凝土的抗拉强度和抗变形能力,并相应地提高了混凝土的抗剪、抗扭、 抗裂和抗疲劳强度。 

在耐火材料中不定形耐火材料,其性能优异,比重逐年增加。然而,这类材料的压缺点是不能耐急冷急热,因而影响工业窑炉的使用寿命。因工业需求则改 变制作方法,其熔抽法,此法是将熔化状态的金屑,经熔抽装置抽出后快速冷却, 凝结成横断面为月牙状,外形不规则的纤维.由于其表面很粗糙,增强了纤维的 粘结力和摩擦力,有很强的增强效果.基料为铬钢和不锈钢材质.再不用普碳钢为原料,因为碳素钢在熔化状态下氧化严重,在纤维表面产生一层很厚的氧化皮,大大降低纤维的增强效果。其基料含铬和镍尤为重要。所以基料的选择对耐热钢 纤维尤为重要。其要加入熔抽法的耐热型钢纤维会大大提高不定形耐火料的寿命。从70年代中开始,国外试验将不锈钢纤维加到浇注料中,以改进其韧性。最初人们曾担心,对金属杂质极为敏感的耐火材料,加入钢纤维后,性能会恶化。但试验结果表明,钢纤维增强浇注料,可使韧性显著提高,使抗热震抗冲击性能明显改进,从而寿命大为增加。随着熔抽法钢纤维的出现,突破了冷拔钢纤维的应 用局限性。从80年代初开始,在许多发达国家中,耐热不锈钢纤维增强浇注料 已在冶金、石油化工、水泥和机械等工业领域的炉窑上广泛使用。目前耐热不锈钢纤维已在各种工业炉窑上进行应用试验,取得了良好效果。

耐热不锈钢纤维在耐火料中的作用可概括为三个方面,即增强、增韧和抗裂。从纤维增强材料的复合定则考虑,钢纤维的弹性模量比耐火料要高。因此,钢纤维上所承受的应力比基体的大。与素耐火料相比,在同一外力作用下,实际上钢 纤维耐火料中,由于钢纤维承受了较大应力部分,使得基体耐火料所承受的应力 减小,所以前者要达到素耐火料那样相同的初裂变形所需的外载,当然要比素耐 火料时的值大,亦即提高了初裂强度。

此外,从纤维间距离理论考虑,在外力载荷下,在耐火料内的应力集中部位, 裂纹极易产生,并迅速扩展以致裂开。在加入钢纤维条件下,当裂纹尖端扩展到 纤维与基体的界面处时,尖端处的耐火料基体对钢纤维产生与外力方向相同的力, 由于界面粘结作用,钢纤维对基体将产生一反作用力,因此便约束了裂纹的扩展。 


图 1.1.2-1 载荷-变形曲线

图 1.1.2-1 示出了载荷变形曲线,OA'为素耐火料初裂强度,OB'为钢纤维 耐火料的初裂强度。曲线OB段为弹性变形区,BC 段为弹塑变形区,CD则为永久变形断裂区。在BC和CD段由于钢纤维的存在,虽然已有裂纹产生但仍能承担载荷。素耐火料为脆性断裂,OAE覆盖面积为表征素耐火料韧性的断裂功,OCD 覆盖面积为表征钢纤维浇注料韧性的断裂功。由图可见,加钢纤维后,韧性大大提高(大于30倍)。当钢纤维与耐火料握裹力很强,钢纤维高温强度较高,以及钢纤维含量增加时,都会使韧性增加。所以,严格地讲,钢纤维对耐火料的主要作用是在于增韧和抗裂,而不是增强。

最后,也应看到,耐火料是在高温条件下工作的。在很多场合,它的一面为 热面,另一面为冷面,热面温度有时可达 1350℃,冷面温度则低得很多。根据大部分耐火料特性,冷面强度可由水硬结合保证,热面强度则由高温陶瓷结合获 得。而耐火料在 760~980℃间,水硬结合被破坏,高温陶瓷结合又未形成,故在这一中温区,实际是一强度薄弱区,最易脆断。但耐火料加入钢纤维后,则使这一薄弱区的强度提高,抗裂性能增加,从而使耐火料的寿命延长

1.3. 耐热不锈钢纤维的特点 

作为增强用的钢纤维,长期以来多用切割钢丝或钢带而得,此工艺成本较贵,而且合金成分有局限性,所以,在耐火料中未能得到应用。熔抽法出现后,则大 大促进了钢纤维增强耐火料的发展。所谓熔抽钢纤维,是指从熔化的钢水中,直 接抽出的钢纤维之意。郑州玄华钢纤维有限公司就是通过这种先进水平的熔抽法, 再加上剪切法和冷拔丝全套生产系统生产优质的耐热钢纤维。 

图 1.1.3-2 示出了这一工艺的示意图。由图可见,钢水通过与高速旋转辊轮 轮缘接触,以 103~105℃/s 度快速冷凝,并受离心力作用被甩出,形成了直径为 0.4~0.6mm,并有一定长度的钢纤维。钢纤维的形状、长度和厚度,通过改变工 艺参数可予以调整。这一先进的快速冷凝工艺,不但与通常纤维制作方法(冶炼、 锻、轧、冷拉等)相比可节约能源近 80%,而更重要的是,熔抽钢纤维具有如下特点:


  • 金属金相组织特殊。快速冷凝金属具有细化晶粒,消除了偏析,因此, 改善了钢的屈服强度和疲劳强度,增加塑性。 
  • 表面粗糙。因为钢水在冷凝过程中,其外表是自由的,所以抽成的纤维 表面很粗糙。此种钢纤维加入耐火材料中,能与耐火料产生很强的握裹 力。如上所述,这对改进耐火料韧性,起重大作用。
  • 工艺简单、价格低廉,熔抽法钢纤维由钢水一次成型,避免了常用工艺 的繁复工序,因此,熔抽钢纤维要比同牌号切割钢纤维便宜 1/3~2/3。 
  • 钢纤维合金范围广,切割法由于一些合金牌号无丝材或带材,故不能获 得这些牌号钢纤维。熔抽钢纤维合金范围则宽得多。 考虑到耐火料的工作温度通常都在 800℃以上,因此,作为增强用的钢纤维, 不能采用普碳钢。一般多为耐热钢或不锈钢牌号,它们都含有较高的镍和铬以及 其他合金化元素,这些合金各具有较高的高温强度和高温耐蚀性能,能满足耐火 料增强要求。

2. 耐热钢纤维的应用

2.1. 冶金工业 

钢纤维已广泛用于轧钢加热炉的炉顶、炉头、出钢槽槽底、炉门、烧咀砖、水冷梁、水冷管包扎,步进炉炉底、均热炉炉盖,锻钢加热炉炉底,钢水中间包 包盖、电炉三角区、铁水包衬里、底吹氧烟道、炼焦炉炉门、炉外精炼喷枪等领域效果极明显。在我国也已在推广应用,例如: 广州合金钢厂中型开坯加热炉炉门边墙的炉衬采用 2.9%钢纤维粘土结合浇 注料,使用寿命延至两年多,增加寿命约两倍多。上钢三厂开坯分厂锻造车间 3t 燃油连续式加热炉出钢槽,采用钢纤维增强 PA-80 耐火捣打料,使用三年多,增加寿命 11 倍。新余厂在中板加热炉上对炉门、烧咀砖、水冷管包扎、炉头滑波、炉头侧墙、 炉头水冷梁、炉内衬墙等的衬里粘土浇注中进行了加钢纤维的全面试验,结果表 明:延长各部位的寿命 2~5 倍以上。

2.2. 水泥工业、陶瓷行业 

水泥厂的回转窑已广泛采用钢纤维增强耐火料,具体应用部位有链条带、加热带、容口、加热器盖、空气进口和设信等。陶瓷行业的隧道密台车面,也正在推广应用钢纤维。 

2.3. 石油化工行业 

由于钢纤维加入到耐火料中,使耐火料的强度、韧性增加,抗磨性改善,导 致到薄型部件应用的增加。这在石油工业中表现最为突出。 钢纤维还可用于石化装置中的滑动活门、裂口地区、压气吹风管、旋流器、 传递衬、立 y 式导管、燃烧器、炉顶、FCC 旁道管烟道、碳黑反应器等急冷急 热、机械冲击、磨损厉害的部位。达到增加使用寿命的目的。 

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