Refrakter malzemelerin termal şok dayanımının kırılma mekaniği açısından incelenmesi

Abstract

ÖZET Refrakter malzemelerin üretimindeki gelişmelerle kullanım koşullarına en uygun termal ve mekanik özelliklerin elde edilmesi istenmektedir. Üretimde kullanılan bileşenlerin fiziksel, kimyasal, termal özellikleri, malzemelerin kalitesini ve ömrünü etkileyen önemli etkenlerdir. Tuğlaların kullanımdaki termal ve mekanik etkiler, yapılarında kimyasal, termal ve mekanik değişiklikler ortaya çıkarmaktadır. Buna bağlı olarak malzeme içyapısı, mekanik özellikleri ve kullanım ömrü de etkilenmektedir. Refrakter malzemelerin kullanımda ani ve tekrarlı sıcaklık değişimleri, yapıda çatlaklara veya mevcut çatlakların yayılmasına ve dolayısıyla kırılmalara neden olmaktadır. Bu nedenle, termal şokun malzeme yapısındaki etkilerinin bilinmesi ve malzemenin güvenli bir şekilde kullanılması önemli olmaktadır. Bu çalışmada; magnezya ve ağırlıkça % 4, 6, 8, 15 ve 20 kromit içeren magnezya-krom refrakter malzemelerin fiziksel, termal, mekanik özellikleri ve içyapıda oluşan değişiklikler sıcaklık ve kromit oranının fonksiyonu olarak incelenmiştir. Magnezya ve magnezya krom refrakterlerin oda sıcaklığı, 400, 600, 800 ve 1400 °C sıcaklıklardaki termal ve mekanik özellikleri standart deneylerle elde edilmiştir. örneklerin eğilme dayanımı (o) ve elastisite modülü (E) değerlerinin sıcaklığa bağlı değişimleri incelenmiştir. Refrakter malzemelerde önemli bir yeri olan ve sık karşılaşılan termal şok olayı bu veriler yardımıyla araştırılmıştır, örneklere termal şok deneyleri, suda soğutularak, sıcaklık farkları 400, 600 ve 800 °C ve termal çevrim sayısı 5, 10, 15 olarak yapılmıştır. örneklerin eğilme dayanım değerleri termal şok uygulanan sıcaklık farkına bağlı olarak hesaplanmıştır. Bu değer magnezya-krom refrakter malzemelerde ve büyük sıcaklık farklarında, daha küçük elde edilmiştir. Belirli sıcaklıklar ve sıcaklık farklarındaki termal şok parametreleri (R, R', R'`, R``) veriler yardımıyla hesaplanmıştır. Magnezyanın kırılma direnç parametreleri (R ve R'), magnezya-krom malzemelere göre daha büyük, hasar direnç parametreleri (R'` ve R``) ise daha küçüktür. Sıcaklığa bağlı olarak hesaplanan R ve R' değerleri, magnezya örneklerde sıcaklık artışı ile artış göstermiştir. Termal şok uygulanan malzemelerin içyapılarındaki çatlak oluşumu ve ilerlemesi, yüzey resimleri, ışık mikroskobu ve SEM mikro yapı görüntüleri ile belirlenmiştir. Bu görüntülerde genellikle taneler etrafında oluşan çatlakların, termal şok uygulanan sıcaklık farkı ve termal çevrim sayısına bağlı olarak, sayısı ve boyutları artmıştır. a/h=0,3 ve kalınlığı 0.2 mm çentikli örneklere 400, 600, 800 ve 1400°C sıcaklıklarda üç nokta eğme deneyi uygulanarak, kırılma tokluğu (KC) ve kırılma enerjisi (y) değerleri hesaplanmıştır. Magnezya ve magnezya-krom refrakter malzemelerin, 400, 600 ve 800 °C sıcaklıktan su vermeyle oda sıcaklığına soğuması, sonlu elemanlar yöntemi (ANSYS 6.0) kullanılarak modellenmiştir. soğuma durumunda, yüzey ve merkezindeki sıcaklık ve gerilme değişimleri zamana bağlı olarak elde edilmiştir. Bütün örnekler için sıcaklıklardaki dağılımlarına bağlı olarak oluşan bası ve çeki gerilme farkının en büyük değeri, soğumanın olduğu ilk 10 s'lik süre içerisinde oluşmuştur. Magnezyada oluşan çeki ve bası gerilmelerinin diğer örneklere göre daha büyük olduğu görülmüştür. Magnezya-krom malzemelerde, sıcaklık ve gerilme dağılımları birbirine yakın değerler elde edilmiştir. 5 f & ?*:. Xİ ??,:>, ~^ t,

ABSTRACT With the developments in manufacturing of the refractory materials, it is aimed to have the most suitable thermal and mechanical properties for using conditions. Physical, chemical and thermal properties of components of materials used in manufacture are essential ones which affect the life and the quality of these materials. Thermal and mechanical effects appeared in using of bricks lead to some changes in their chemical, thermal and mechanical properties. Depending on these changes, the microstructure, the mechanical properties and the life of the materials are also affected. Sudden and successive changes occurred when using of refractory materials result in cracks or propagation of cracks in structure and thus rupture of materials. Therefore it is important to know the effects of thermal shock on the structure of materials to use the materials safely. In this study, the physical, thermal and mechanical properties of refractory materials containing magnesia and magnesia-chrome of 4, 6, 8, 15 and 20% chromite content by weight are investigated, as well as the changes in microstructure as a function of temperature and content of chromite. Thermal and mechanical properties of magnesia and magnesia-chromite refractory materials have been obtained at 25, 400, 600, 800 and 1400 °C by standard laboratory experiments. The variations of bending strength (a) and elasticity modulus (E) of the samples with temperature have been investigated. Thermal shock behaviour, which has a considerable interest and is studied frequently, has been investigated in refractory materials by using these data. Thermal shock tests of the samples have been performed by cooling in water with temperature differences of 400, 600 and 800 °C, and the number of thermal cycles have been taken to be 5, 10 and 15. The bending strengths of the samples have been calculated by using these temperature differences at which thermal shock tests have been performed. It has been observed that these values were smaller in magnesia-chrome refractory materials and also at high temperature difference. Thermal shock parameters (R, FT, R`/ R``) have been calculated by using these data at certain temperatures and temperature differences. Fracture resistance parameters (R and R') for magnesia are greater than those for magnesia- chrome. However damage resistance parameters (R`/ R``) for magnesia are smaller than those for magnesia-chrome. For magnesia, it has been observed that the R and R' values had increased with increasing temperature. The crack initiation and propagation of refractory materials, which are exposed to thermal shocks, are determined by images with surface photograph, optic microscopy and SEM microstructure. These images have shown that the number and size of cracks, formed nearby grains, increased with the temperature difference at which thermal shock were applied and with the number of thermal cycles. The fracture toughness (KC) and fracture energy (y) of samples of width 0.2 mm and notched with a/h=0.3 have been calculated by performing three points bending tests at 400, 600, 800 and 1400 °C. Cooling of magnesia and magnesia-chrome refractory materials cooling by quenching at room temperature from 400, 600 and 800 °C has been modelled using a finite element method (ANSYS 6.0). The changes of temperature and thermal stresses in cooling by quenching have been calculated in the surface and centre of materials. The graphics of each sample have been plotted for these situations. It has been found that the maximum stress changes occurred for the first 10 seconds of the quenching. It has been also observed that tensile and compress stresses in magnesia were greater than the other samples. It has been obtained that the distributions of temperature and thermal stresses showed nearly the same behaviour In magnesia-chrome materials. / ?<?? ?* t'- xii