耐火材料的抗热震性及检测标准

抗热震性是耐火材料最重要的使用性能之一，国内外有多种测定抗热震性的试验方法，但是还没有统一的国际标准。2016年8月经ISO批准，由我国主导制定耐火材料抗热震性试验方法国际标准，通过与国内外工作组成员积极交流，并开展大量的试验验证工作，较好地解决了制定过程中出现的技术问题，2020年10月该国际标准正式发布。

耐火材料从生产、使用到废弃或再利用的周期中，不断经受温度波动，由于热冲击而导致耐火材料的损毁是材料消耗的主要因素。抗热震性是耐火材料重要的使用性能之一，表征材料的抗热震性一般包括两个要素:试样经受的热循环次数和热震损伤程度。在实验室环境下，试样的加热通常采用电阻炉，而试样的冷却一般采用水浴中淬冷、压缩空气急冷和自然空气冷却。评价热震损伤程度通常是测量热震后试样的受热面破损程度、质量损失率、强度损失率、声速损失率等。

1 国内外抗热震试验方法

目前，国内外多种抗热震性试验方法标准见表1。

按冷却介质不同，抗热震性试验方法一般分为3类:第一类是水急冷法，如:GB/T 30873—2014中的方法一和方法二、YB/T 376.3—2004、DIN 51068—2008、JIS R2657:1995方法一、BS 1902—5.11:1986均属此类，适用于致密且不与水反应的材料。第二类是压缩空气急冷法，即冷却介质为压缩空气，GB/T30873—2014方法二、EN 993—11:2007均属此类，适用于碱性耐火制品、硅质耐火制品、熔铸耐火制品、以及与水作用或热震次数少而难以判定抗热震性优劣的耐火制品，同时也适用于致密硅酸铝质耐火材料，但测得的抗热震次数与水急冷法测得的抗热震次数不同;不适用于显气孔率大于45%的耐火材料。第三类是空气自然冷却法，即冷却介质为空气，GB/T30873—2014方法四、JB/T 3648.1—1994属此类，适用于轻质隔热制品，即真气孔率大于45%的耐火材料。按结果评价方法分两大类:第一类是根据达到某种破坏情况的热震次数来评价。破坏情况包括受热端面破损率达到50%或以上，GB/T 30873—2014方法一，JIS R 2657:1995属此类;质量损失超过20%,GB/T 30873—2014方法四属此类;试样裂成两块或以上，GB/T 30873—2014方法二、DIN 51068-2008属此类;出现可见裂纹，YB/T 376.3—2004属此类;不能经受0.3 MPa的弯曲应力，GB/T 30873—2014方法三属此类等。第二类是根据热震前后某种性能的变化情况评价，包括残余抗折强度、声速损失率等，YB/T 4018—1991、ASTM C1171—2015属此类。

2 国际标准制定中出现的问题和应对措施

2.1 国际标准制定的基本流程

按照国际标准的制定程序，从立项(NP)开始，一般经过委员会草案阶段(CD)、询问阶段(DIS)、批准阶段(FDIS)和出版阶段(IS)等，从提出项目建议到正式出版一般至少36个月，最多不超过48个月。

2016年5月，我国根据国际标准中抗热震性试验方法缺失的情况，适时提出了制定国际标准的立项申请，2016年8月20日通过ISO立项投票(NP阶段);2018年5月25日，通过委员会草案(CD阶段);2019年11月15日，通过国际标准草案投票(DIS阶段);2020年9月2日，通过最终国际标准草案投票(FDIS阶段)，2020年10月7日，ISO 21736—2020《耐火材料抗热震性试验方法》正式出版。

2.2 标准的适用范围该国际标准项目是依据我国已经发布实施的国家标准GB/T 30873—2014提出的，主要包含3种试验方法:水急冷法，压缩空气急冷法，空气自然冷法，这3种方法在中国被广泛使用，也在国际上有一定的使用区域。所以，在立项投票阶段，ISO/TC33的P成员国(共计16个)中有10个国家投票赞成，认为十分有必要立项，并有澳大利亚、中国、法国、德国、日本、英国、美国等7个国家推荐专家参加该项目工作。该标准中的试验方法测量的均是材料在极端试验条件下的损坏情况，而非模拟使用条件下的损毁情况。3种试验方法原理不同，使用设备不同，结果的评价方法也不一样，分别适用于不同的产品类型，其测试结果无可比性。不同试验方法的测定结果见表2，可以看出，同样的产品如果采用不同的试验方法，其抗热震次数完全不同。表2 不同类型材料在不同试验条件的抗热震性结果

针对3个不同试验方法的适用范围，在立项阶段，澳大利亚、英国、日本、美国等提出，应充分评价不同试验方法的特点，吸收现有各国试验方法的技术内容和实际使用效果，保障新制定标准的广泛适用性。为此，在标准的范围一章明确指出不同方法适用于不同的产品类型，相关方可以协商选择。

2.3 水急冷试验方法的问题和说明

2.3.1 试样不同位置试验结果的一致性

在水急冷试验方法中，标准4.4.1规定试样与试样间距不小于10 mm，设备设计时应充分考虑满足方法的要求，试样由夹持器固定，尽可能保持试样间距统一。

澳大利亚提出，由于试样间距的限制，可能存在3个试样受热不均导致的结果差异。为此，统计了国家耐火材料质检中心2012—2018年的水急冷法抗热震试验数据。实验室共进行水急冷抗热震性检测1 310批次，其中，722批次3块样品同时达到客户规定的抗热震性试验次数而终止试验，474批次客户只提供一块或两块样品，只有114批次试验中有3块样品且不是同时损毁，其中，第一块样品首先损毁的数量为36批次，占比31.6%，中间样品首先损毁的数量为38批次，占比33.3%，第三块样品首先损毁的数量为30批次，占比26.3%。可以看出，试样在不同位置受冷热冲击损坏的概率是一样的，试样的抗热震性结果相差无几。

进一步的验证试验也表明，3块样品同时试验时损毁结果是随机的。10 mm的间距可以满足试验的要求，不会对试验结果造成不利影响。

2.3.2 样品尺寸

理论上说，直形砖都可以进行试验，考虑不同尺寸的试样体积不同，热容量不同，为保证结果的一致性，将该标准中4.3.2试样尺寸，由230 mm×114 mm×(65～75) mm修改为标准砖尺寸230 mm×114mm×64(74) mm。

2.3.3 冷却水温度的控制

水急冷方法中冷却水温度的控制是各方比较关注的。日本和澳大利亚提出，应明确测定冷却水温度时温度计的安放位置和控制水流量。标准中规定使用常温的水进行冷却，急冷过程中水温升高不超过10℃，避免冷却水温度过高。在试验过程中，冷却水水温的变化由水槽的大小及水流量共同控制，在设备设计时应充分考虑水槽大小。测试过程中根据试验温度及室温调整水流量来控制水槽中冷却水的温度。根据多年的使用经验及试验过程中反复测量，在急冷过程中冷却水槽任意点的水温升高均不超过10℃，因此，标准中没有再限制具体的测量位置。

2.4 压缩空气急冷法和空气自然冷法的问题和说明

压缩空气急冷法和空气自然冷法在国外应用较为广泛，主要适用于易与水发生反应的试样。如澳大利亚采用空气自然冷法测定所有产品的抗热震性，而不是仅仅适用于显气孔率大于45%的轻质砖。但是，在普遍意义上，由于轻质砖的抗热震性次数较少，通常采用空气自然冷法，以较好地分辨产品抗热震性的优劣。日本提出，针对急冷后试样的抗折试验，应规定加载和卸载的速率;在空气自然冷法中，应增加一个试样冷却架，以避免热量的传递。这些细节的技术规定在正式标准中都做了修改和补充。

2.5 试验数据分析和评价

在抗热震性试验方法国际标准的制定过程中，各国提出意见最集中的是关于方法的重复性问题。为了进一步验证试验方法的稳定性，选择国内生产企业，采用同一批原料、同一台混碾机混练、同一窑车烧成，定制了高铝砖、镁砖和高铝隔热砖。3种样品的主要理化性能见表3。选择6家实验室(编号分别为A、B、C、D、E、F)，分别做3种试验方法的抗热震性试验，其中，高铝砖试验条件:1 100℃水急冷，执行标准:GB/T 30873—2014方法一，结果评价原则:受热断面破损率达50%或以上;镁砖试验条件:950℃压缩空气急冷，执行标准:GB/T 30873—2014方法三，结果评价原则:试样不能经受0.3 MPa的弯曲应力;高铝隔热砖试验条件:1 000℃空气自然冷，执行标准:GB/T 30873—2014方法四，结果评价原则:质量损失超过20%。实验室比对试验结果见图1。表3 3种定制样品的典型理化性能

图1 抗热震性实验室比对试验结果

根据不同实验室的检测结果，计算出了3个试验方法的精密度数据，见表4。从比对结果可以看出，实验室间试验结果有比较大的离散性，这与耐火材料的非均质性、温度场可控性较差等因素有关。热冲击的方式对耐火材料内部的温度梯度和相应的应力分布有显著影响，随着温度的波动，材料内部产生热应力导致材料开裂，最终使耐火材料损毁。同时材料的性能、形状尺寸、传热条件都能影响耐火材料的抗热震性。因此，不同测试方法评价耐火材料的抗热震性是完全不同的。

表4 抗热震性试验方法精密度计算数据

3 结语

抗热震性是耐火材料的重要使用性能之一，新制定的国际标准只是包含了当前国内外应用较为广泛的三种试验方法，试验结果的离散性较大，试验周期也较长。如今测定耐火材料抗热震性的技术手段很多，如测定残余抗折强度、弹性模量、超声波脉冲速度等均可以判定抗热震性的好坏，加热和冷却方法也有改变。因此，在测定方法的选择上，既要考虑测定方法是否容易实施，又要选择与耐火材料的服役环境尽可能相似的测定方法，当前对耐火材料的损毁和失效过程的研究取得了长足的进步，但依旧不足以预测耐火材料在实际使用中的寿命，国际标准应紧跟技术的进步而不断完善和发展。