连铸用功能耐火制品常温抗折强度检测

连铸用功能耐火制品常温抗折强度检测技术

连铸用功能耐火制品，如长水口、浸入式水口、塞棒和滑板等，是钢铁连铸过程中的关键部件，其性能直接关系到连铸工艺的顺行、钢水质量及生产安全。常温抗折强度是衡量这些制品力学性能的重要指标，它反映了材料在常温下抵抗弯曲应力的能力，对于评估制品的搬运安全性、抵抗机械冲击能力及预测其在高温下的初始结构强度具有重要指导意义。

1. 检测项目：方法与原理

常温抗折强度，又称常温弯曲强度，是指在室温下，规定尺寸的长方体试样在三点或四点弯曲装置上受弯直至断裂时，单位面积上所承受的最大弯曲应力。

1.1 三点弯曲法

• 原理：将条形试样放置在两个下支撑辊上，通过位于两支点中间的上压辊向下施加荷载，使试样中部承受最大弯矩。试样下表面受拉应力，上表面受压应力。

• 计算公式：对于矩形截面试样，三点抗折强度 $R_{tr}$ （MPa）计算公式为：

  $$R_{tr} = \frac{3FL}{2bh^2}$$

  式中：$F$ 为试样断裂时的最大荷载（N），$L$ 为下支撑辊跨距（mm），$b$ 为试样宽度（mm），$h$ 为试样厚度（mm）。

• 特点：设备简单，操作方便，应用最广泛。但弯矩分布不均，断裂通常起始于试样下表面的某个缺陷，对表面微裂纹较为敏感。

1.2 四点弯曲法

• 原理：试样放置在两个下支撑辊上，通过两个上压辊施加荷载。两个上压辊对称分布于跨距中央两侧，使两个上压辊之间的试样段承受纯弯矩。

• 计算公式：四点抗折强度 $R_{fr}$ （MPa）计算公式为（对于力点间距相等的对称四点弯曲）：

  $$R_{fr} = \frac{3F(L - l_i)}{2bh^2}$$

  式中：$F$ 为总荷载（N），$L$ 为下支撑辊跨距（mm），$l_i$ 为上压辊间距（mm），其余符号同上。

• 特点：在纯弯矩段内，弯矩恒定，消除了剪切应力的影响，断裂更可能发生在材料最薄弱处（体积缺陷），更能反映材料的本征强度。但设备相对复杂。

1.3 检测流程
主要包括：试样制备与尺寸精确测量 → 试样干燥处理（必要时）→ 将试样对称放置于弯曲夹具上 → 以恒定加载速率施加载荷直至断裂 → 记录最大断裂载荷 → 根据公式计算抗折强度 → 数据处理与报告。

2. 检测范围与应用需求

常温抗折强度检测覆盖所有连铸功能耐火制品，但其具体关注点和要求因应用领域而异：

• 整体成型的浸入式水口和长水口：重点关注其整体结构的抗折强度，以确保在搬运、安装及与钢包回转台对接过程中，特别是渣线以上部位，能抵抗意外碰撞和机械应力，防止断裂造成重大生产事故。

• 复合结构的滑板：通常检测滑板本体材料的抗折强度，用于评估其在张应力状态下的抗开裂能力，预测其在使用中承受热应力和机械应力时的可靠性。

• 含碳制品（如铝碳质、锆碳质）：常温抗折强度是评价其结合系统（树脂、沥青或陶瓷结合）有效性的关键指标。强度过低表明结合不良，影响使用安全性；但过高的强度有时可能意味着脆性增加。

• 新产品开发与质量控制：用于评价不同配方、结合剂、成型工艺及热处理制度对制品常温力学性能的影响，是产品研发和出厂检验的必测项目。

3. 检测标准：国内外规范

检测需遵循严格的标准规范，以确保结果的准确性、可比性和重现性。

• 中国国家标准：

  • GB/T 3001-2017 《耐火材料 常温抗折强度试验方法》。该标准详细规定了耐火材料（包括定形和不定形）常温抗折强度试验的原理、设备、试样、试验步骤、结果计算及报告。是国内的权威依据。

• 国际及国外标准：

  • ISO 5014:2014 《耐火制品—常温抗折强度的测定》。与中国国标GB/T 3001技术内容基本协调一致，是国际贸易和技术交流中普遍认可的标准。

  • ASTM C133-97(2015) 《耐火制品常温抗折强度和耐压强度试验方法》。美国材料与试验协会标准，在国际上也有广泛影响力。

• 行业与产品标准：在具体产品标准中，如关于连铸用铝碳质、铝锆碳质耐火制品的YB/T 007、YB/T 4115等，均会引用上述基础试验方法标准，并规定具体的试样制取部位、尺寸要求及强度指标。

4. 检测仪器与设备

常温抗折强度检测主要依赖材料试验机及专用弯曲夹具。

• 主机（材料试验机）：

  • 功能：提供可控制、可测量、稳定的加载能力。核心是精密测力系统和位移控制系统。

  • 要求：应具有足够的载荷容量（通常为5-100kN），载荷示值误差不超过±1%。加载速率必须能精确控制，通常在（0.1~0.5）mm/min或恒应力速率下进行，以确保测试的准静态条件。现代设备多为微机控制电子万能试验机，可实现自动控制、数据采集和处理。

• 弯曲试验夹具：

  • 组成：包括两个下支撑辊和一个（三点弯曲）或两个（四点弯曲）上压辊。辊子通常为圆柱形，由硬度高的钢材制成。

  • 要求：辊子直径应符合标准规定（如ISO 5014规定为10-30mm），所有辊子应相互平行。上压辊应能自由调节，以适应不同跨距和厚度的试样。夹具的设计应确保载荷沿试样宽度方向均匀分布，且与试样为线接触。

• 辅助设备：

  • 试样尺寸测量工具：精度不低于0.1mm的游标卡尺或千分尺，用于精确测量试样的宽度和厚度。

  • 试样加工设备：切割机、磨床等，用于将制品加工成标准规定的长方体试样（通常为（25×25×125）mm 或（40×40×160）mm）。

综上所述，常温抗折强度检测是评价连铸功能耐火制品基础力学性能的标准化、定量化手段。通过严格遵循标准方法，使用精密的检测仪器，可获得可靠数据，为产品的研发、生产、质量控制和选型应用提供至关重要的科学依据，从而保障连铸生产的高效与安全。