基于楔形劈裂法与有限元模拟的轻量方镁石-镁铝尖晶石耐火材料损伤演化及断裂机理研究
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:51902228
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:23.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:E0202.无机非金属基础材料
- 结题年份:2022
- 批准年份:2019
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2020-01-01 至2022-12-31
- 项目参与者:--
- 关键词:
项目摘要
The lightweighting of refractory materials, which are used as the lining of high temperature furnaces, is effective for achieving the energy conservation and emission reduction of the high energy consumption industries, such as the steel, cement and petrochemical industries. However, the fracture mechanism and damage evolution of lightweight refractories are unrevealed as they are served under the high temperature and complex environment. In this project, the evolution of full-field strain and fracture behaviour of typical lightweight periclase-MA spinel refractory are investigated by wedge splitting test combining the digital image correlation technique. Firstly, the influence of the properties of lightweight aggregates (i.e. phase composition, content and pores structure) and the lightweight aggregate-matrix interface on the fracture behaviour are illustrated. The methods for improving the high temperature mechanical properties are proposed based on the amelioration of the physico-chemical conditions for the preparation of lightweight aggregates. Furthermore, the continuous heterogeneous FE model is built according to the high heterogeneity and the complex interface properties for realistically simulating the damage evolution under the high temperature and cyclic thermo-mechanical stress, and for revealing the fracture mechanism of lightweight refractories. Finally, a system for evaluating the fracture behaviour of lightweight refractory is established, which will contribute to the optimization and development of high-performance lightweight refractories, both for the periclase-MA spinel refractory and other types of lightweight refractory.
高温窑炉内衬耐火材料轻量化是实现钢铁、水泥及石化等高耗能行业节能减排的重要途径。针对轻量耐火材料在高温复杂服役环境下损伤演化难以定量直观研究,造成断裂机理不明的问题,本项目以典型的轻量方镁石-镁铝尖晶石耐火材料为研究对象,采用楔形劈裂法结合数字图像相关技术,研究耐火材料在载荷条件下的全场应变过程及断裂行为,揭示轻量骨料种类(物相组成、含量和孔结构)、轻量骨料-基质界面特性等微结构参数对材料断裂行为的影响规律;并通过优化制备轻量化骨料的物理化学条件,探明提高轻量耐火材料高温力学性能的有效途径;在此基础上,建立符合轻量耐火材料高异质性和复杂界面特征的有限元模型,真实模拟其在高温服役过程中冷热循环及载荷条件下的细观损伤演化,揭示材料断裂机理,最后建立轻量耐火材料断裂行为评价体系,为开发高强兼具高热震稳定性的新一代轻量方镁石-镁铝尖晶石质耐火材料奠定理论基础,也为开发其他轻量耐火材料提供理论指导。
结项摘要
高温窑炉内衬耐火材料轻量化是实现高耗能行业节能减排的重要途径。项目通过探究高温复杂服役环境下轻量耐火材料的损毁行为及强韧化机理,明确高强兼具高热震稳定性的轻量方镁石-尖晶石质耐火材料的开发路径。主要研究成果如下: 1)采用可控原位分解技术和组分调控,制备了不同气孔率的轻量陶瓷骨料及耐火材料。通过与致密材料相比,探明了孔径分布、物相组成等对轻量骨料裂纹弥散以及骨料-基质界面结合增强的作用机理。2)结合原位数字图像相关性以及断裂路径后分析方法,构建了轻量方镁石-镁铝尖晶石耐火材料细观断裂过程与宏观力学性能的相关性,探明骨料轻量化对裂纹路径的引导机理,揭示了轻量耐火材料增强机制。3)制备了核壳结构方镁石-镁铝尖晶石复合骨料及相应耐火材料,结合前两个内容实现了方镁石-镁铝尖晶石耐火材料骨料-基质-界面一体化调控依据。4)采用多尺度框架非均质模拟策略,建立了相应多组分仿真材料模型,探明了轻量化对能量耗散过程的影响机制,明确了轻量方镁石-镁铝尖晶石耐火材料在热-机械载荷条件下的断裂过程区发展以及决定因素。上述研究成果对于建立轻量耐火材料高温力学性能评价体系,开发新一代轻量方镁石-镁铝尖晶石耐火材料,不断满足高温工业节能减排要求具有重要的意义。
项目成果
期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Mechanical and fracture investigation of magnesia refractories with acoustic emission-based method
基于声发射的镁质耐火材料力学和断裂研究
- DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2019.09.010
- 发表时间:2020
- 期刊:Journal of the European Ceramic Society
- 影响因子:5.7
- 作者:Yajie Dai;Yawei Li;Shengli Jin;Harald Harmuth;Yan Wen;Xiaofeng Xu
- 通讯作者:Xiaofeng Xu
R-curves determination of ordinary refractory ceramics assisted by digital image correlation method
数字图像相关法辅助普通耐火陶瓷R曲线测定
- DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.047
- 发表时间:2020
- 期刊:Journal of the European Ceramic Society
- 影响因子:5.7
- 作者:Yajie Dai;Harald Harmuth;Shengli Jin;Dietmar Gruber;Yawei Li
- 通讯作者:Yawei Li
Influence of graphite content on fracture behavior of MgO-C refractories based on wedge splitting test with digital image correlation method and acoustic emission
基于数字图像相关法和声发射楔形劈裂试验的石墨含量对MgO-C耐火材料断裂行为的影响
- DOI:10.1016/j.ceramint.2021.01.134
- 发表时间:2021
- 期刊:Ceramics International
- 影响因子:5.2
- 作者:Xiaofeng Xu;Yawei Li;Yajie Dai;Tianbin Zhu;Liping Pan;Jacek Szczerba
- 通讯作者:Jacek Szczerba
Effect of particle grading on fracture behavior and thermal shock resistance of MgO-C refractories
颗粒级配对MgO-C耐火材料断裂行为和热震稳定性的影响
- DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.037
- 发表时间:2022
- 期刊:Journal of the European Ceramic Society
- 影响因子:5.7
- 作者:Xiaofeng Xu;Tianbin Zhu;Yawei Li;Yajie Dai;Mithun Nath;Yicheng Ye;Nanyan Hu;Yuanjin Li;Xuyuan Wang
- 通讯作者:Xuyuan Wang
Characterization of tensile failure behaviour of magnesia refractory materials by a modified dog-bone shape direct tensile method and splitting tests
改进的狗骨形直接拉伸法和劈裂试验表征镁质耐火材料的拉伸破坏行为
- DOI:10.1016/j.ceramint.2019.11.133
- 发表时间:2020
- 期刊:Ceramics International
- 影响因子:5.2
- 作者:Yajie Dai;Yawei Li;Xiaofeng Xu;Qingyou Zhu;Yucheng Yin;Shan Ge;Ao Huang;Liping Pan
- 通讯作者:Liping Pan
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其他文献
耐火材料力学行为表征方法研究进展
- DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.2019.08.09
- 发表时间:2019
- 期刊:硅酸盐学报
- 影响因子:--
- 作者:戴亚洁;李亚伟;金胜利
- 通讯作者:金胜利
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