基于机器视/听觉的耐火材料蚀损行为表征评价研究进展

刘陈陈，黄奥，李昇昊，陈昕煜，顾华志

(武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点试验室， 湖北  武汉 430081)

摘　要：耐火材料作为冶金和建材等高温工业中不可替代的关键基础材料，在服役过程中不可避免地遭受到热-化-力耦合条件下的化学侵蚀和力学损伤（简称蚀损），造成高温炉衬损毁并影响产品生产质量。传统手段多采用事后冷态分析评价方法，难以直接对高温复杂环境下耐火材料的损毁过程进行原位观测，同时易缺少诸如热-化-力耦合条件下的过程信息从而导致分析结果产生偏差。综述了机器视/听觉技术在耐火材料蚀损行为表征评价中的应用研究进展，表明利用数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）和声发射（Acoustic Emission, AE）等非接触式技术，通过实时监测耐火材料蚀损的全场应变及声发射信号，能有效表征耐火材料在多因素耦合条件下的材料蚀损演变过程，对准确揭示耐火材料的损毁机制和服役性能评价提供了新途径，旨在为高品质产品熔炼或生产用优质耐火材料开发提供理论支撑。 

关键词：耐火材料；数字图像相关法；声发射；机器视/听觉；蚀损行为；表征评价

引用格式：

刘陈陈，黄奥，李昇昊，陈昕煜，顾华志. 基于机器视/听觉的耐火材料蚀损行为表征评价研究进展[J]. 钢铁研究学报, 2024, 36 (10): 1247-1266.

DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240167

重要图表：

总结与展望

数字图像相关技术和声发射技术因具有应用范围广、操作简单、精度（灵敏度）高等优点，在耐火材料服役行为研究中显示出巨大潜力。

（1）采用AE及DIC技术结合WST、BT等方法，可以一次性获取丰富断裂行为信息，提高力学表征的效率。通过分析与表征耐火材料断裂机制、断裂模式以及断裂过程，能够定量研究耐火材料在热机械应力的损伤行为，并有效表征其热震稳定性。

通过与多种技术和不同信号分析方法结合，可以区分不同损伤类型的信号源，为深入研究材料的损伤机制、破坏模式，全面了解耐火材料损伤机制和性能行为提供理论证据。

（2）基于高温观测技术和DIC分析，实现了高温熔体侵蚀过程的可视化。利用化学-力学全场应变分布来表征侵蚀过程，平均应变曲线可以对比耐火材料同高温熔体的抗侵蚀能力，侵蚀应变云图则能够反映高温熔体的渗透和侵蚀的动态演变过程，两者为耐火材料蚀损过程的表征提供了量化指标。

DIC技术能够在常温及高温环境下对耐火材料在力学和化学作用下的形变行为进行高精度的实时监测，为理解耐火材料在热-化-力耦合条件下蚀损机制及性能评价提供了准确的数据支持。

（3）尽管DIC和AE技术相结合能够提供对材料损伤的更全面表征，但仍存在一些局限性和挑战：1）空间分辨率限制：AE技术主要针对材料内部微裂纹和局部损伤的检测，空间分辨率有限，可能无法全面捕捉材料的整体损伤模式；2）高显气孔率材料的挑战：如干式捣打料等材料，熔体侵蚀过程中可能存在漏渣，会导致部分散斑点损坏，影响计算结果准确性；3）高温环境的影响：在高温下，耐火材料表面可能发生化学反应（如氧化）；4）挥发分的干扰：例如，水泥回转窑用镁铁铝尖晶石砖在高温下会与水泥生料中的硫和碱反应生成碱蒸汽，碳复合耐火材料表面的氧化等反应，都可能降低光学成像的清晰度或对比度；5）表面特性变化：高温环境下，耐火泥浆表面特性的变化可能影响散斑图案的保持和识别，进而影响DIC测量的准确性；6）此外，仍然很难明确玻璃窑用耐火材料在服役过程中的气泡析出机制。

因此，后续研究期待集中解决：1）改进成像质量：降低挥发性气体对成像质量的影响，如引入气体吹扫装置。2）根据材料种类设计不同试样尺寸，避免材料自身特性对可视化抗渣试验的影响。3）增强DIC识别能力：在泥浆表面喷涂耐高温的对比剂或标记点，以增强DIC的特征点识别能力。在高温实验中采用抗氧化涂层或表面处理技术，以保持材料表面特性的稳定。4）多技术结合：探索DIC和AE技术的协同应用，并结合多尺度分析方法，如搭配原位X-CT等技术，深入理解耐火材料的服役性能。5）信号分析方法的改进：研究更有效的信号分析方法，提高信号分辨率及识别不同损伤机制产生的声波信号。6）引入其它人工智能和机器学习技术，实现数据的自动处理和分析。7）开发适用于钢铁、水泥、玻璃等行业现场使用条件下的DIC和AE相关技术。通过这些努力，将有望实现对耐火材料在高温复杂环境下综合性能的更全面准确表征评价。