大試樣熱重分析儀及其在耐火材料研究中的應用

NAIHUO CAILIAO/耐火材料2006,40(1)65~67討論與交流大試樣熱重分析儀及其在耐火材料研究中的應用徐恩霞)黃少平2)王澎2)鐘香崇1)鄭州大學(xué)高溫功能材料河南省重點(diǎn)實(shí)驗室鄭州4500522)洛陽(yáng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區精達科技工業(yè)有限公司摘要介紹了大試樣高溫熱重分析儀的結構和特點(diǎn)以及在抗氧化性和氪化反應研究中的實(shí)際應用。該儀器由電加熱、氣氛控制、質(zhì)量測量和自動(dòng)控制四大系統組成。該儀器允許的最大試樣尺寸為100mm×100mmxl80mm,最大試樣質(zhì)量為5000g,最高試驗溫度達1600℃。該儀器既可以記錄試樣在勻速升溫過(guò)程中的“質(zhì)量溫度”曲線(xiàn)(升溫法),又可以記錄試樣在恒定溫度下的“質(zhì)量-時(shí)間”曲線(xiàn)(恒溫法)。采用升溫法和恒溫法分別研究了鋁碳滑板試樣和β- SiAION結合剛玉試樣的抗氧化性,并采用升溫法研究了高鋁礬土試樣的氮化反應,結果均令人滿(mǎn)意。關(guān)鍵詞耐火材料,熱重分析儀,大試樣,抗氧化性,氪化反應高溫熱重分析是研究耐火材料在某一加熱過(guò)程中所發(fā)生的物理、化學(xué)變化的重要手段。例如,通過(guò)B-SiAION結合剛玉試樣在某一溫度的空氣氣氛下加熱過(guò)程中的“質(zhì)量變化-時(shí)間”曲線(xiàn),就可以研究它在這一過(guò)程中的氧化情況;通過(guò)高鋁礬土-鋁粉試樣在流動(dòng)氮氣下升溫過(guò)程中的“質(zhì)量變化一溫度”曲線(xiàn),就可以研究它在這一過(guò)程中的氮化反應情況普通熱重儀的測量范圍大多≤100mg,不能對尺寸和質(zhì)量較大的“大試樣”進(jìn)行熱重分析。因此,目前交交對于大試樣,只能通過(guò)試樣加熱前后的質(zhì)量差來(lái)表征它的總的反應情況,而無(wú)法了解它在加熱過(guò)程中的反應情況。為了滿(mǎn)足測量較大耐火材料試樣在加熱過(guò)程中質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化的實(shí)際需要,研制了大試樣高溫熱重分析儀。本文介紹了該儀器的結構和特點(diǎn),并且報道了其在耐火材料研究中的應用實(shí)例。1儀器1.1儀器的結構和特點(diǎn)研制的大試樣高溫熱重分析儀可以看作是由1-天平;2-接線(xiàn)端子;3-連接桿;4-吊籃;5-發(fā)熱體;6-熱電偶;臺高溫真空氣氛爐和一套質(zhì)量測量系統構成,包括電7-真空泵;8-密封圈:9-密封爐門(mén)加熱、氣氛控制、質(zhì)量測量和自動(dòng)控制四大系統。儀圖1大試樣高溫熱重分析儀的結構器的結構如圖1所示成。爐內真空度可達0.1Pa,充氣后爐內可保持0.11電加熱系統采用MoSi2發(fā)熱元件,升溫速率10.15MPa的正壓。能夠在不同氣氛中對樣品進(jìn)行熱重10℃·min^',最高溫度可達1600℃,爐溫控制精度中國煤化工量傳感器及連接于為±5℃。CNMHG氣氛控制系統由密封箱、真空泵、真空表、壓力表、徐恩霞:女,1965年生,博士研究生,高級工程師。進(jìn)氣及出氣管路、氣體流量計、空氣壓縮機等部分組收稿日期:2005-07-10編輯:黃衛國2006/1耐火材料/ NAHUO CAILIAO65其下方的耐高溫吊籃組成。天平固定在密封箱的底的3種燒成鋁碳滑板為研究對象,制成25mm×25板上,通過(guò)懸掛于其下方的連接桿與吊籃相連。吊籃mm×125mm的試樣(質(zhì)量約230g),烘干后放入熱內試樣的質(zhì)量信號通過(guò)接線(xiàn)端子連續不斷地傳輸到重儀中,在空氣氣氛中,從常溫開(kāi)始,以3℃·min-1外部進(jìn)行處理、記錄,從而反映試樣質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。的升溫速度升溫至1500℃,并在1500℃下保溫60通過(guò)更換不同量程的質(zhì)量傳感器和不同大小的min,由儀器繪制試樣在升溫過(guò)程中的“質(zhì)量保持率吊籃,可以對不同質(zhì)量和不同體積的樣品進(jìn)行熱重分溫度”曲線(xiàn)和在保溫過(guò)程中的“質(zhì)量保持率-時(shí)間”析。本儀器可采用稱(chēng)量范圍分別為20~200g、200~曲線(xiàn),以評價(jià)試樣的抗氧化性。1000g、1000~2000g和2000~5000g的4種規格的3個(gè)鋁碳滑板試樣的TG曲線(xiàn)見(jiàn)圖2?？梢钥闯鲑|(zhì)量傳感器,它們的分辨率分別為1mg、10mg、10mg在大約420℃以前,3個(gè)試樣的質(zhì)量均沒(méi)有發(fā)生變和100mg。本儀器允許的最大樣品尺寸為100mm×化;在大約420℃至大約800℃的溫度段,3個(gè)試樣的100mm×180mm,因此,半塊標型磚或40mm×40質(zhì)量幾乎勻速減小,其中AC-2的質(zhì)量減小速率最mm×160mm的不定形耐火材料測試樣塊都可以直大;從大約800℃開(kāi)始,試樣的質(zhì)量減小速率均減緩接放入測量。其中AC-1和AC-2分別從1010℃和1143℃進(jìn)入該儀器的自動(dòng)控制系統由工業(yè)計算機及外圍控質(zhì)量幾乎保持不變的平臺期,而從大約1450℃和制電路組成?？刂瞥绦蛉吭?Windows下運行。質(zhì)1340℃開(kāi)始至保溫結束,二者的質(zhì)量又分別開(kāi)始增量、溫度、電流、電壓等數據的自動(dòng)采集,數據的處理,大,但AC-3的質(zhì)量始終呈減小趨勢。曲線(xiàn)的生成和顯示,結果的計算和打印,以及故障報警等都由計算機自動(dòng)完成。425℃1.2儀器的使用方法(1)開(kāi)機:合上空氣開(kāi)關(guān),將手動(dòng)/自動(dòng)開(kāi)關(guān)打向AC-1手動(dòng)位置,合上工控機開(kāi)關(guān),執行熱重測控系統程序,再合上控制柜開(kāi)關(guān)。143℃1340(2)程序的運行:在開(kāi)始菜單中點(diǎn)擊程序并雙擊熱重測控系統的圖標,可運行程序。自動(dòng)運行開(kāi)始前,首先要設置試驗參數。在菜單設置中單擊試驗參時(shí)m數設置或在工具欄中點(diǎn)擊試驗參數設置,調出試驗參圖23種鋁碳滑板試樣的熱重曲線(xiàn)數設置畫(huà)面,在參數設定畫(huà)面中點(diǎn)擊毛重測量按鈕,這3個(gè)鋁碳滑板試樣在加熱氧化過(guò)程中的質(zhì)量使吊籃等懸掛物的質(zhì)量在計算機內作為空白加以扣變化是其中碳的氧化(質(zhì)量減小)和抗氧化劑的氧化除;把制好的樣品或粉料放入熱重儀的吊籃中,稱(chēng)量(質(zhì)量增大)共同作用的結果:隨著(zhù)氧化溫度的升高,試樣的初始質(zhì)量,并設定升溫制度。材料中抗氧化劑開(kāi)始氧化,并且氧化速度隨溫度的升(3)根據試驗要求選擇不同氣氛,通過(guò)真空氣氛高逐漸增大,導致試樣的質(zhì)量減小速度逐漸減緩;當爐的通氣管路可通入壓縮空氣、氮氣等氣體二者的氧化速度達到一定(范圍)的比值時(shí),它們引起(4)升溫制度可選擇連續升溫法和恒溫法。連續的質(zhì)量變化相互抵消,試樣的質(zhì)量保持不變;當抗氧升溫法就是按設定的升溫速率將試樣加熱至試驗溫化劑的氧化引起的質(zhì)量變化超過(guò)碳氧化引起的質(zhì)量度,由儀器自動(dòng)記錄試樣在加熱過(guò)程中的TG曲線(xiàn)。變化時(shí),試樣的質(zhì)量反而增大。恒溫法就是將試樣放入處于室溫的爐內,在保護性氣22恒溫法研究β SIAION結合剛玉材料的抗氧化性氛下按設定的升溫速率將試樣加熱至試驗溫度,然后將試驗用βSAON結合剛玉材料制成25mn x將爐內氣氛切換成試驗所需氣氛,恒溫至試驗結束mm×50mm的試樣(質(zhì)量約為100g),放入熱重由儀器自動(dòng)記錄試樣在恒溫過(guò)程中的“質(zhì)量-時(shí)間”儀中,在空氣氣氛中分別繪制其在1200℃、1300℃曲線(xiàn)。和1400℃恒溫300min過(guò)程中的“單位面積質(zhì)量變化在中國煤化工果見(jiàn)圖3?？梢钥闯?實(shí)際應用CNMH Gm/A均以大而勻的速2.1連續升溫法研究鋁碳滑板的抗氧化性2率增大,并且溫度越高,其增大速率越大;在50~150試驗選用編號分別為AC-1、AC-2和AC-3min階段,△m/A的增大速率逐漸減小;150mn以后,66數0耐火材料201△m/A的增大速率再次趨于恒定,并且不同溫度下的后,熱重曲線(xiàn)趨于水平,說(shuō)明氮化反應基本進(jìn)行完全。增大速率趨于一致。單從Δm/A來(lái)看,試驗溫度越高,△m/A越大。F1200℃12001400-1300℃溫度℃圖4礬士試樣在流動(dòng)N2中的質(zhì)量變化率-溫度曲線(xiàn)時(shí)間min圖3 B-SiAlON結合剛玉試樣在不同溫度下的△m/A-曲線(xiàn)3結論2.3連續升溫法研究高鋁礬士-鋁試樣的氮化過(guò)程(1)大試樣高溫熱重分析儀將加熱系統、氣氛控將輕燒高鋁礬土細粉和鋁粉混合后壓制成50制系統和質(zhì)量測量系統有機地結合在一起,實(shí)現了較mmx50mm的圓柱體試樣(質(zhì)量約為215g),放入熱大耐火材料試樣在加熱過(guò)程中質(zhì)量的動(dòng)態(tài)測量,更符重儀中,在流動(dòng)N2中,從常溫開(kāi)始,以3℃·min1合耐火材料科研的實(shí)際需要。的升溫速率升溫至1500℃,記錄試樣在升溫過(guò)程中2)應用大試樣高溫熱重分析儀對多種材料的質(zhì)的質(zhì)量變化率-溫度曲線(xiàn),結果見(jiàn)圖4?？梢钥闯?量-溫度(時(shí)間)特性進(jìn)行了測試,結果令人滿(mǎn)意。試樣質(zhì)量從600℃開(kāi)始增大,這是單質(zhì)鋁在600℃左右開(kāi)始發(fā)生氮化反應引起的;在900-100℃溫度參考文獻段,試樣質(zhì)量幾乎沒(méi)有發(fā)生變化,此階段可能對應于[1洛陽(yáng)精達公司,鄭州大學(xué)大試樣高溫熱重分析儀中國專(zhuān)利,A還原SO2生成S的反應階段,該反應不會(huì )引起試(2)聶洪波鋁碳滑板材料的高溫使用性能研究:[碩士論文],鄭州樣質(zhì)量的變化,但會(huì )影響單質(zhì)鋁的氮化反應速度鄭州大學(xué),2005,51100℃后,試樣質(zhì)量再次快速增大,此階段應該對應3]侯新梅鐘香崇鋁熱還原氮化合成礬土基 B-Sialon的反應過(guò)于Si的氮化和 SiAION開(kāi)始形成的反應階段;1400℃程耐火材料,2004,38(4):230-233,23High temperature thermogravimetric analyzer for large sized specimen and its application in refractoriesresearch/u Enxia, Huang Shaoping, Wang Peng, et al//Naihuo Cailiao. -2006, 40(1): 65The structure and characteristics of the high temperature thermogravimetric analyzer( TGA) for large sizedspecimens and its application in researches of oxidation resistance and nitridation reaction were intro-duced. The TGA consists of four systems, including electronic heating, atmosphere control, mass measuring and automatic control. The apparatus accepts samples with maximum dimensions of 100 mm x100 mmx 180 mm, maximum mass 5000 g, and maximum experimental temperature 1600.C It is not only capableof measuring"mass -temperature"curves at elevating temperature( by elevating temperature method)but also recording"mass-time"curves at constant temperature( by constant temperature method ).Theoxidation resistance of Al, O, -c slide plate and the specimens of B-SiAION-Al, O, were determined byboth methods and the nitriding reaction of high alumina bauxite specimens was determined by elevatingtemperature method, all of which have achieved approving resultsKey words: Refractories, Thermo gravimetric analyzer, Large sized specimens, Oxidation resistance, NitridaAuthor's address The henan province Key laboratory of HiH中國煤化工Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, ChinaCNMHG2006/1耐火材料/NHU0LA067