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TWI758953B - 耐火泥彈性模數的測量方法 - Google Patents

耐火泥彈性模數的測量方法 Download PDF

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TWI758953B
TWI758953B TW109139994A TW109139994A TWI758953B TW I758953 B TWI758953 B TW I758953B TW 109139994 A TW109139994 A TW 109139994A TW 109139994 A TW109139994 A TW 109139994A TW I758953 B TWI758953 B TW I758953B
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吳調原
吳佳
謝文盛
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中國鋼鐵股份有限公司
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Abstract

一種耐火泥彈性模數的測量方法於此揭露，包含以下步驟：(a) 對磚材進行彈性模數測量以得到磚材的第一彈性模數；(b)切割磚材以得到第一切割磚材和第二切割磚材；(c) 於第一和第二切割磚材之間塗佈耐火泥以形成複合磚材；(d) 對複合磚材進行彈性模數測量以得到複合磚材的第二彈性模數；(e1) 利用應力模擬軟體對複合磚材建立模型；(f)將耐火泥的假設彈性模數與第一彈性模數代入模型進行模擬，以獲得複合磚材的模擬彈性模數；以及(g)重複步驟(f)直到模擬彈性模數與第二彈性模數的差值在預設範圍內，此時代入的耐火泥的假設彈性模數設定為它的彈性模數。

Description

耐火泥彈性模數的測量方法
本案係關於一種耐火泥的測量方法，特別是一種耐火泥的彈性模數的測量方法。
耐火泥可用於吸收定型磚的變形、抵抗應力與機械衝擊，還能防止爐氣/煙氣的滲透，是爐襯應用過程中不可或缺的材料。然而，由於耐火泥易脆，不容易對其彈性模數(elastic modulus)進行測量，使得過往常缺乏對耐火泥的彈性模數的描述。但在分析爐襯的應力分佈時，具有吸收變形和衝擊等作用的耐火泥是不可忽略的組成，若將耐火泥視為定型磚，則應力會高估，在砌磚時需要更多的膨脹縫寬度，或是需要使用更高破碎強度的定型磚，造成設計裕度過大，不利於準確掌握爐襯運作及降低成本。
習知的測量耐火泥的方法多與耐火磚相同，對一塊狀耐火泥施加正向力後，測量其應力與應變的曲線，再計算線性區斜率便可得到彈性模數，但此方法有幾個缺點。第一，通常砌磚用的耐火泥呈現薄膜狀，其厚度約3mm(毫米)，但習知的測量方法耐火泥多為塊狀，厚度尺寸在cm(厘米)等級，受尺度效應的影響，習知的測量方法不易準確反應出實際結構中耐火泥的彈性模數。另外，越厚的樣品在製備過程中越不容易均勻，且需越久時間乾燥才能進行測試。第二，若是要製備薄膜狀(例如，毫米等級)的耐火泥，在沒有可依附基材(例如，耐火磚)的情況下不容易成形以及薄膜厚度不易均勻，難以對其進行測量以及重複驗證測量結果。
因此，必要提供一種耐火泥的彈性模數的測量方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之一目的在於提供一種耐火泥彈性模數的測量方法，可有效地得到薄型化的耐火泥的實際彈性模數。
為達上述目的，所述耐火泥彈性模數的測量方法包含以下步驟：(a) 對磚材進行彈性模數測量以得到磚材的第一彈性模數；(b)切割磚材以得到第一切割磚材和第二切割磚材；(c) 於第一切割磚材和第二切割磚材之間塗佈耐火泥以形成複合磚材；(d) 對複合磚材進行彈性模數測量以得到複合磚材的第二彈性模數；(e1) 利用應力模擬軟體對複合磚材建立模型；(f)將耐火泥的假設彈性模數與第一彈性模數代入模型進行模擬，以獲得複合磚材的模擬彈性模數；以及(g)重複步驟(f)直到模擬彈性模數與第二彈性模數的差值在一預設範圍內，此時代入的耐火泥的假設彈性模數設定為耐火泥的彈性模數。
本發明還提供一種耐火泥彈性模數的測量方法，包含以下步驟：(a) 對磚材進行彈性模數測量以得到磚材的第一彈性模數；(b)切割磚材以得到第一切割磚材和第二切割磚材；(c) 於第一切割磚材和第二切割磚材之間塗佈耐火泥以形成複合磚材；(d) 對複合磚材進行彈性模數測量以得到複合磚材的第二彈性模數；(e2) 利用等效彈性模數關係式以得到耐火泥的彈性模數，等效彈性模數關係式為：
Figure 02_image001
其中L b1為第一切割磚材的高度，L b2為第二切割磚材的高度，L m為耐火泥的高度，E b為第一彈性模數，E eq為第二彈性模數，E m為耐火泥的彈性模數。
在本發明的一實施例中，在步驟(a)之前包含對磚材進行烘乾以去除水分，及/或在步驟(d)之前包含對複合磚材進行烘乾以去除水分。
在本發明的一實施例中，彈性模數測量包含以下步驟：施加正向力於待測物上；測量待測物的應力與應變曲線；以及計算應力與應變曲線的斜率以得到待測物的彈性模數。
在本發明的一實施例中，在彈性模數測量中施加的正向力垂直於第一切割磚材和第二切割磚材的切割面。
在本發明的一實施例中，第一切割磚材和第二切割磚材的高度相同。
在本發明的一實施例中，耐火泥的高度介於1到5毫米之間。
在本發明的一實施例中，耐火泥的高度小於第一切割磚材和第二切割磚材的高度。
在本發明的一實施例中，耐火泥係搭配磚材一起使用在一爐襯中。
在本發明的一實施例中，模型所使用的模擬磚材和模擬耐火泥的尺寸和材料與複合磚材中的第一切割磚材、第二切割磚材及耐火泥的尺寸和材料相同。
透過上述的測量方法，可有效地得到薄型化的耐火泥的實際彈性模數，且其準確度的絕對誤差小於10%，足以用於實際的應用上。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本揭示內容的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。此外，根據業界的標準及慣常做法，圖式僅以輔助說明為目的，並未依照原尺寸作圖，實際上各種特徵的尺寸可任意地增加或減少以便於說明。下述說明中相同元件將以相同之符號標示來進行說明以便於理解。
在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。
關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，例如可如『約』、『大約』或『大致』所表示的誤差或範圍，或其他近似值。
請一併參照第1圖、第2A圖和第2B圖，第1圖是根據本揭示內容部分實施例所繪示的耐火泥的彈性模數的測量方法100的流程圖。第2A圖是根據本揭示內容部分實施例所繪示的磚材210的示意圖。第2B圖是根據本揭示內容部分實施例所繪示的複合磚材230的示意圖。在步驟110中，提供如第2A圖所示的磚材210，並對磚材210進行彈性模數測量以得到磚材210的彈性模數。在部分實施例中，進行測量的磚材210是實際上使用在爐襯中的耐火磚，並且是跟之後要進行測量的耐火泥一起搭配使用，磚材210的型號可例如是SGT-N。在本實施例中，磚材210的高度H1可為100mm。
在部分實施例中，可先對磚材210進行烘乾以去除水分，接著才對磚材210進行彈性模數測量。
彈性模數測量是藉由將磚材210放在應力測量儀器(未繪示)上進行測量。一般來說，待測物(例如，磚材210)會放在應力測量儀器的乘載台上，而儀器會在待測物的上方(即待測物相對乘載台的一側)沿著待測物的高度方向施加正向力F(即應力)，並同時測量在所述應力下待測物的應變情況。藉由施加不同應力可得到待測物的不同應變情況，進而獲得待測物的應力與應變的曲線。如第3A圖所示，第3A圖是根據本揭示內容部分實施例所繪示的磚材210的應力(stress)與應變(strain)的曲線圖，其中曲線C1、C2、C3分別代表磚材210在500℃、300℃和常溫的環境下所測得的應力與應變變化，在本實施例中，磚材210的型號為SGT-N。接著，計算應力與應變的曲線的斜率便可得到磚材210的彈性模數。在本實施例中，磚材210在常溫的彈性模數為2.00GPa(十億帕斯卡)，在300℃的彈性模數為2.25GPa，在500℃的彈性模數為2.40GPa。
接著，在步驟120中，在磚材210高度方向上切割磚材210以得到第一切割磚材231和第二切割磚材232。換言之，磚材210、第一切割磚材231和第二切割磚材232的長度L跟寬度W皆相同。在部分實施例中，第一切割磚材231的高度H2和第二切割磚材232的高度H3相同，且H2+H3=H1。在本實施例中，H2=H3= 50mm，然本揭示內容並不以此為限。在其他實施例中，第一切割磚材231的高度H2和第二切割磚材232的高度H3亦可不同，但須注意的是，第一切割磚材231和第二切割磚材232的切割面整體是均勻的且平行於各自的非切割面，如此一來在之後對複合磚材230進行彈性模數測量時，其所施加的正向力能均勻地分佈在第一切割磚材231和第二切割磚材232，也就是說，所施加的正向力會垂直於該第一切割磚材231和第二切割磚材232的切割面。
接著，在步驟130中，於第一切割磚材231和第二切割磚材232之間塗佈一層耐火泥233並接合以形成複合磚材230。如先前所述，耐火泥233的型號是搭配先前的磚材210型號一起使用的，在本實施例中，耐火泥233的型號可例如是MK950。優選地，耐火泥233的高度H4(亦或厚度)介於1到5毫米之間。在本實施例中，耐火泥233的高度H4為3毫米，然本揭示內容並不以此為限。在部分實施例中，耐火泥233的高度H4小於該第一切割磚材231的高度H2和第二切割磚材232的高度H3。
接著，在步驟140中，對複合磚材230進行該彈性模數測量以得到複合磚材230的彈性模數。類似地，可藉由應力測量儀器對複合磚材230進行測量以得到複合磚材230的應力與應變曲線。如第3B圖所示，第3B圖是根據本揭示內容部分實施例繪示的複合磚材230的應力與應變的曲線圖，其中曲線C1’、C2’、C3’分別代表磚複合磚材230在500℃、300℃和常溫的環境下所測得的應力與應變變化。接著，計算第3B圖的應力與應變曲線的斜率便可得到複合磚材230的彈性模數。在本實施例中，複合磚材230在常溫的彈性模數為1.60GPa，在300℃的彈性模數為1.75GPa，在500℃的彈性模數為1.80GPa。
類似地，在部分實施例中，可先對複合磚材230進行烘乾以去除水分，接著才對複合磚材230進行彈性模數測量。
接著，在步驟150中，利用應力模擬軟體對複合磚材230建立一個模型。所謂模型為其所使用的模擬磚材和模擬耐火泥的尺寸和材料型號與複合磚材230中的第一切割磚材231、第二切割磚材232及耐火泥233的尺寸和材料型號皆相同。之後，進行步驟160，將耐火泥233的假設彈性模數與磚材210的彈性模數代入模型以進行模擬，藉以獲得複合磚材的模擬彈性模數。
具體來說，應力模擬軟體可針對建立好的模型，在給予各個參數(例如，環境溫度、第一切割磚材231、第二切割磚材232及耐火泥233的尺寸、材料型號和彈性模數等)的情況下，模擬所述模型的應力與應變情況和彈性模數。在部分實施例中，可利用ANSYS工程模擬軟體進行這樣的模擬過程，以得到相應複合磚材230模型的模擬彈性模數。在上述過程中，除了耐火泥233的彈性模數是未知的，剩下所需的參數，例如第一切割磚材231、第二切割磚材232及耐火泥233的尺寸(即高度、長度和寬度)和材料型號，以及第一切割磚材231、第二切割磚材232的彈性模數(亦即磚材210的彈性模數，其已在步驟110中所測量)的參數皆為已知。因此，可先假設耐火泥233的一彈性模數並將假設的彈性模數和上述已知參數代入模型進行模擬，以得到複合磚材的模擬彈性模數。
接著，在步驟170中，比較模擬彈性模數跟所測量的複合磚材230的彈性模數的差值是否落在一預設範圍內，來判斷耐火泥233此次的假設彈性模數是否符合實際值。換句話說，若模擬的彈性模數跟複合磚材230在步驟140中所測量的彈性模數的差異過大(即差值超過預設範圍)，代表這一次耐火泥233的假設彈性模數離實際的彈性模數仍有差距，此時則回到步驟160，提供不同的耐火泥233的假設彈性模數再代入模型以繼續進行模擬，直到模擬彈性模數接近或是相同於複合磚材230的彈性模數(即差值落在預設範圍)，此時所假設的耐火泥233的彈性模數便可設定為耐火泥233的實際彈性模數。在部分實施例中，預設範圍是設定為模型的模擬彈性模數與複合磚材230的彈性模數的誤差值的±10%以內。
請參考下列的表一，表一是利用測量方法100在常溫、300℃、500℃所得到的各個彈性模數參數。如表一所示，在設定為常溫的情況下，經由反覆代入耐火泥233的假設彈性模數進行模擬，得到的模型的彈性模數模擬值為1.66GPa，此時的模擬值誤差為-3.6%在±10%以內，此時所代入的耐火泥233的假設彈性模數為0.20GPa便可設定為耐火泥233的實際彈性模數。而此彈性模數代入300℃、500℃的環境下所得到的模型的彈性模數模擬值與複合磚材230的彈性模數測量值之間誤差值的絕對值亦皆小於10%。換言之，耐火泥233的彈性模數為0.20GPa是非常接近耐火泥233在3毫米時的實際彈性模數。因此，透過測量方法100，可準確地得到薄型化時的耐火泥233的彈性模數。
溫度(℃) 常溫 300 500
磚材210的彈性模數測量值(GPa) 2.00 2.25 2.40
耐火泥233的彈性模數假設值(GPa) 0.20 0.20 0.20
複合磚材230的彈性模數測量值(GPa) 1.60 1.75 1.84
等效模型的彈性模數模擬值(GPa) 1.66 1.70 1.89
模擬值誤差(%) -3.6 2.9 2.5
表一
請參照第4圖，第4圖是根據本揭示內容另一實施例繪示的耐火泥的彈性模數的測量方法400的流程圖。測量方法400的步驟410～440類似於步驟110～140，於此不再贅述。在得到第一切割磚材231和第二切割磚材232的彈性模數(亦即磚材210的彈性模數)以及複合磚材230的彈性模數之後，可進行步驟450。在步驟450中，利用一等效彈性模數關係式以得到耐火泥233的彈性模數，等效彈性模數關係式為：
Figure 02_image001
其中L b1為第一切割磚材231的高度H2，L b2為第二切割磚材232的高度H2，L m為耐火泥233的高度H4(亦或厚度)，E b為磚材210的彈性模數，E eq為複合磚材230的彈性模數，E m為耐火泥233的彈性模數。類似地，除了耐火泥233的彈性模數是未知的，剩下的第一切割磚材231、第二切割磚材232及耐火泥233的高度(例如，H2=H3=50mm， H4=3mm)，以及磚材210的彈性模數皆是已知的，因此將這些參數代入上式便可獲得耐火泥233的彈性模數E m。
請參考下列的表二，表二是利用測量方法400在常溫、300℃、500℃所得到的耐火泥233的彈性模數計算值，其中L b1= L b2=50mm，L m=3mm。如表二所示，耐火泥233在在常溫、300℃、500℃時，其彈性模數的計算值分別是0.209 GPa、0.208GPa、0.208GPa。與表一的耐火泥233的彈性模數設定為0.20GPa相比，其差異並不會太大。因此，利用等效彈性模數關係式，可快速得到耐火泥233的估計彈性模數，無須建立進行模擬的模型並重複模擬和驗證耐火泥233的假設彈性模數，因此可加速整個測量的時程。雖然相較於測量方法100，利用測量方法400所得到的彈性模數的誤差值較大，但亦已足夠用在實際應用的預測和估算。
溫度(℃) 常溫 300 500
磚材210的彈性模數測量值(GPa) 2.00 2.25 2.40
複合磚材230的彈性模數測量值(GPa) 1.60 1.75 1.84
耐火泥233的彈性模數計算值(GPa) 0.209 0.208 0.210
表二
在部分實施例中，可先進行測量方法400，以得到耐火泥233的彈性模數計算值，接著利用在此彈性模數計算值附近的值作為假設彈性模數以進行測量方法100的步驟160～170，可更快速以及精準地得到耐火泥233的實際彈性模數。
綜上所述，透過上述的測量方法100以及400，可有效地得到薄型化的耐火泥的實際彈性模數，且其準確度的絕對誤差小於10%，足以用於實際的應用上。由於耐火泥是搭配相應型號的磚材一起進行測量，因此耐火泥的厚度可均勻地形成，並且可重複驗證測量結果。
雖然本揭示內容已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本揭示內容，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。
100、400:測量方法 110～170、410～450:步驟 210:磚材 230:複合磚材 231:第一切割磚材 232:第二切割磚材 233:耐火泥 F:正向力 H1、H2、H3、H4:高度 W:寬度 L:長度 C1、C2、C3、C1’、C2’、C3’:曲線
第1圖是根據本揭示內容一實施例所繪示的耐火泥的彈性模數的測量方法的流程圖。 第2A圖是根據本揭示內容部分實施例所繪示的磚材的示意圖。 第2B圖是根據本揭示內容部分實施例所繪示的複合磚材的示意圖。 第3A圖是根據本揭示內容部分實施例所繪示的磚材的應力與應變的曲線圖。 第3B圖是根據本揭示內容部分實施例所繪示的複合磚材的應力與應變的曲線圖。 第4圖是根據本揭示內容另一實施例所繪示的耐火泥的彈性模數的測量方法的流程圖。
100:測量方法
110~170:步驟

Claims (10)

  1. 一種耐火泥彈性模數的測量方法，包含： (a) 對一磚材進行一彈性模數測量以得到該磚材的一第一彈性模數； (b) 切割該磚材以得到一第一切割磚材和一第二切割磚材； (c) 於該第一和第二切割磚材之間塗佈一耐火泥以形成一複合磚材； (d) 對該複合磚材進行該彈性模數測量以得到該複合磚材的一第二彈性模數； (e1) 利用一應力模擬軟體對該複合磚材建立一模型； (f) 將該耐火泥的一假設彈性模數與該第一彈性模數代入該模型進行模擬，以獲得該複合磚材的一模擬彈性模數；以及 (g) 重複步驟(f)直到該模擬彈性模數與該第二彈性模數的差值在一預設範圍內，此時代入的該耐火泥的該假設彈性模數設定為該耐火泥的彈性模數。
  2. 一種耐火泥彈性模數的測量方法，包含： (a) 對一磚材進行一彈性模數測量以得到該磚材的一第一彈性模數； (b) 切割該磚材以得到一第一切割磚材和一第二切割磚材； (c) 於該第一和第二切割磚材之間塗佈一耐火泥以形成一複合磚材； (d) 對該複合磚材進行該彈性模數測量以得到該複合磚材的一第二彈性模數；以及 (e2) 利用一等效彈性模數關係式以得到該耐火泥的彈性模數，該等效彈性模數關係式為
    Figure 03_image001
    其中L b1為該第一切割磚材的高度，L b2為該第二切割磚材的高度，L m為該耐火泥的高度，E b為該第一彈性模數，E eq為該第二彈性模數，E m為該耐火泥的彈性模數。
  3. 如請求項1或2所述的耐火泥彈性模數的測量方法，其中在步驟(a)之前包含對該磚材進行烘乾以去除水分，及/或在步驟(d)之前包含對該複合磚材進行烘乾以去除水分。
  4. 如請求項1或2所述的耐火泥彈性模數的測量方法，其中該彈性模數測量包含： 施加一正向力於一待測物上； 測量該待測物的一應力與應變曲線；以及 計算該應力與應變曲線的斜率以得到該待測物的彈性模數。
  5. 如請求項1或2所述的耐火泥彈性模數的測量方法，其中在該彈性模數測量中施加的正向力垂直於該第一和第二切割磚材的切割面。
  6. 如請求項1或2所述的耐火泥彈性模數的測量方法，其中該第一和第二切割磚材的高度相同。
  7. 如請求項1或2所述的耐火泥彈性模數的測量方法，其中該耐火泥的高度介於1到5毫米之間。
  8. 如請求項1或2所述的耐火泥彈性模數的測量方法，其中該耐火泥的高度小於該第一和第二切割磚材的高度。
  9. 如請求項1或2所述的耐火泥彈性模數的測量方法，其中該耐火泥係搭配該磚材一起使用在一爐襯中。
  10. 如請求項1所述的耐火泥彈性模數的測量方法，其中該模型所使用的模擬磚材和模擬耐火泥的尺寸和材料與該複合磚材中的該第一和第二切割磚材及該耐火泥的尺寸和材料相同。
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