HIsmelt工艺熔融还原炉用耐火材料的抗侵蚀性研究

为促进HIsmelt工艺的进一步发展和应用，根据HIsmelt工艺熔融还原炉(SRV)的特点，利用静态坩埚法对比研究了SRV渣在1 500℃下对铬刚玉砖、微孔刚玉-莫来石砖、刚玉-莫来石砖、刚玉-尖晶石砖的侵蚀。结果表明：1)铬刚玉砖抗SRV渣渗透侵蚀能力最强，因为FeO与铬刚玉砖中的Al₂O₃和Cr₂O₃反应生成高熔点物，抑制炉渣的渗透和侵蚀。2)微孔刚玉-莫来石砖中镁铝尖晶石与钙铝黄长石的生成在侵蚀层形成保护层，阻止SRV渣的渗透侵蚀，在3种无铬材料中，表现出最优的抗侵蚀性。3)刚玉-莫来石砖中由于大量钙长石的形成产生的缝隙造成渣的不断渗入，使得熔渣对砖的侵蚀较严重。4)刚玉-尖晶石砖中原位生成粒径小、活性高的尖晶石晶粒，能有效吸收熔渣中的铁离子形成镁铝铁复合尖晶石，阻挡SRV渣的侵蚀。     

1700℃流动氮气下金属铝–镁铝尖晶石复合材料的物相组成与反应机理(英文)

研究了高纯氮气下先后进行580℃保温8 h、1 700℃保温3 h热处理后Al–MgAl₂O₄复合材料的物相组成和反应机理。结果表明:经580℃保温8 h后,Al–MgAl₂O₄复合材料形成分层现象,即外层区含金属铝–氮化铝壳核结构。当温度升至某一特定值时,金属铝–氮化铝壳核结构破裂,金属铝Al(l/g)溢出/逸出,与N₂和O₂分别反应生成AlN和Al₂O(g),促进化学计量比的镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)分解形成富氧化铝的镁铝尖晶石(Al₂O₃-rich spinel)和镁蒸气(Mg(g))。一方面,AlN与富氧化铝的镁铝尖晶石形成MgAlON尖晶石;另一方面,AlN与Mg(g)和O₂发生固溶体反应生成氮化铝固溶体,(Mg,Al)(N,O)。内层区的材料物相组成不同于外层区,含有许多由气–气反应Al₂O(g)+O₂(g)+N₂(g)+Mg(g)→MgAlON(s)或Al(g)+O₂(g)+N₂(g)+Mg(g)→MgAlON(s)生成的片状MgAlON;此外,内层区富氧化铝的镁铝尖晶石没有进一步转变为MgAlON尖晶石。     

Cr2O3微粉加入量对Al2O3-Cr2O3质耐火材料性能的影响

以电熔铬刚玉和白刚玉为主要原料,用Cr₂O₃微粉部分替代电熔铬刚玉细粉,研究了Cr₂O₃微粉加入量对Al₂O₃-Cr₂O₃质耐火材料常温和高温性能、物相组成和显微结构的影响。结果表明,随着Cr₂O₃微粉加入量的增加,原位形成了(Al_1-xCr_x)₂O₃固溶体,促进了烧结,材料的显气孔率先降低后升高,且(Al_1-xCr_x)₂O₃固溶体的晶格常数呈线性增加,符合Vegard定律。材料的常温抗折强度和常温耐压强度随Cr₂O₃微粉加入量的增加先升高后降低,在Cr₂O₃微粉加入量为15%(质量分数)时强度达到最大值。而当Cr₂O₃微粉加入量为20%(质量分数)时,由于有挥发现象,材料显气孔率上升,强度下降。材料高温抗折强度随Cr₂O₃微粉加入量的增加而增加,材料的残余强度保持率呈先降低后升高的趋势。     

尖晶石包覆骨料对镁铝质耐火材料抗热震性和抗水泥熟料侵蚀的影响

由于周期性水泥熟料回转以及进出料,水泥回转窑用耐火材料需要兼顾优异的耐火度、热震稳定性和耐侵蚀性。本研究通过将尖晶石细粉包裹于镁砂骨料表面,制备出含包覆结构骨料的方镁石–镁铝尖晶石耐火材料,并采用三点弯曲测试结合数字图像相关以及声发射技术表征其断裂行为,以及采用静态抗渣法表征其抗侵蚀性能。结果表明：通过改变尖晶石分布,形成包覆结构复合骨料,降低了氧化铝含量,尖晶石相达到更为均匀且广泛的分散。与氧化铝含量(质量分数)为10%的市售预合成尖晶石骨料耐火材料相比,采用尖晶石包覆骨料的方镁石–尖晶石耐火材料(Al₂O₃含量为5%)在保证材料抗热震性能的同时,提升了力学强度、热震稳定性能以及抗侵蚀能力。     

MgO源对纳米η-Al2O3制备镁铝尖晶石的影响

分别以轻烧氧化镁粉、碳酸镁、分析纯氢氧化镁为MgO源,纳米η-Al₂O₃为原料(其摩尔比为1∶1),采用固相反应法制备镁铝尖晶石。研究不同MgO源对纳米η-Al₂O₃制备镁铝尖晶石的显气孔率、体积密度、物相组成、晶胞参数以及微观结构的影响。结果表明,随着烧结温度升高,三种MgO源与纳米η-Al₂O₃制得镁铝尖晶石试样的致密性逐渐升高。在1 600 ℃下,以氢氧化镁为MgO源与纳米η-Al₂O₃制得尖晶石试样的体积密度最大为3.296 g/cm³,显气孔率最低为1.9%,晶粒发育最好,晶粒尺寸约为3~5 μm。1 300 ℃时,三种MgO源与纳米η-Al₂O₃全部生成镁铝尖晶石,与以α-Al₂O₃为Al₂O₃源制备镁铝尖晶石的传统固相法相比,镁铝尖晶石的合成温度降低了100 ℃,可以降低镁铝尖晶石的成本,对镁铝尖晶石的应用具有实际意义。     

TiO2的添加对铝铬固溶体烧结动力学的影响

铝铬固溶体被广泛应用于耐火材料,其烧结致密化较难,添加一定量的烧结助剂有利于提高铝铬固溶体的致密程度,但对于致密化过程中的晶粒生长规律尚不清楚。在本工作中以纳米η-Al₂O₃和工业铬绿为原料,加入烧结助剂TiO₂,并以PVA作为结合剂,经过冷等静压成型后在常压下1 400~1 700 ℃进行固相烧结制备摩尔比1∶1的烧结铝铬固溶体。利用Archimedes法、XRD、SEM、Nano measurer等手段分析了烧后试样的致密度、物相组成、显微结构和平均晶粒尺寸,在此基础上进一步计算研究了TiO₂的添加对铝铬固溶体的烧结动力学的影响。结果表明:在烧结过程中,Al₂O₃-Cr₂O₃和Al₂O₃-Cr₂O₃-2%TiO₂烧结体系的晶粒生长指数和晶粒生长活化能均随温度升高而减小;Al₂O₃-Cr₂O₃体系晶粒生长主要受原子随机越过晶界和体积扩散两种机制控制,Al₂O₃-Cr₂O₃-2%TiO₂体系晶粒生长主要受体积扩散控制;对比两种体系发现TiO₂的添加能使样品的晶粒生长指数和晶粒生长活化能下降,促进晶粒生长发育。     

两种氧化铝粉对熔铸AZS耐火材料结构和性能的影响

熔铸Al₂O₃-ZrO₂-SiO₂(AZS)耐火材料是玻璃熔窑的关键筑炉材料。本文分别以煅烧氧化铝粉和普通工业氧化铝粉为原料制备熔铸AZS耐火材料,并采用岩相分析、X射线衍射分析和能谱分析等测试方法,对比分析了两种熔铸AZS耐火材料的结构和性能。结果表明：普通工业氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料中存在未转化完全的γ-Al₂O₃,导致获得的Al₂O₃-ZrO₂共晶体分布不均匀。煅烧氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料中,氧化铝物相为α-Al₂O₃,其晶体结构中斜锆石少,Al₂O₃-ZrO₂共晶体多,玻璃相分布均匀。晶体结构的分布影响着玻璃相渗出量和抗玻璃液侵蚀性能。煅烧氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料玻璃相渗出量比普通工业氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料玻璃相渗出量降低了0.57个百分点,...     

高温下Cr2AlB2粉末在铝碳耐火材料中的结构演变及其对性能的影响

铝碳耐火材料是连铸滑动水口用关键材料，提高其强度和抗氧化性等服役性能，对于保障炼钢过程安全高效生产具有重要的意义。近年来，一种新型的MAB型层状化合物Cr₂AlB₂受到广泛关注，其具有高断裂韧性、高损伤容限和优异的抗氧化性。本工作在铝碳耐火材料中引入合成的Cr₂AlB₂，借助X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜等测试手段，研究了高温下Cr₂AlB₂在铝碳材料中的结构演变及其对材料性能影响。结果表明：Cr₂AlB₂在800～1 200℃热处理后逐步分解生成Al₂O₃包覆CrB的核壳结构，并在核壳结构表面催化生成碳纳米管、碳纤维；在1 200～1 600℃热处理后，核壳结构内部进一步演变，生成了Cr₃C₂和BN。因此，Cr₂AlB₂在铝碳耐火材料中发生的上述结构演变，促进了...     

Al2O3-MgAl2O4复相骨料对刚玉-尖晶石浇注料抗渣性能的影响

为研究Al₂O₃-MgAl₂O₄复相骨料对刚玉-尖晶石浇注料抗渣性能的影响,在基质中添加与不添加尖晶石细粉的2种情况下,分别以板状刚玉骨料和Al₂O₃-MgAl₂O₄复相骨料制备了刚玉-尖晶石浇注料。先利用FactSage反应热力学软件计算了1 600℃时板状刚玉和Al₂O₃-MgAl₂O₄复相骨料与熔渣之间的反应热力学,并采用浸泡法研究了2种骨料的抗渣性能,再采用静态坩埚法研究了2种骨料对浇注料抗渣性能的影响。结果表明：与板状刚玉骨料相比,Al₂O₃-MgAl₂O₄复相骨料侵蚀层中的裂纹细而少,遭受熔渣侵蚀后不易剥落,其过渡层中既有CA₆相也有尖晶石相,而且尖晶石相中固溶有Fe、Mn元素,该骨料不仅通过形成CA     

固溶反应对MA-Al2O3材料结构和性能的影响

以电熔镁铝尖晶石为主要原料并加入少量烧结刚玉细粉部分替代尖晶石细粉,或以白刚玉为主要原料并加入少量电熔镁铝尖晶石细粉替代白刚玉细粉,制备了两组MA-Al₂O₃材料。研究刚玉与镁铝尖晶石之间的固溶反应对材料性能及显微结构的影响。结果表明：1)在两组材料中均发生了固溶反应,使得镁铝尖晶石的富铝程度增大,镁铝尖晶石中的氧化铝含量(w)由约76%增加到80%以上,从而加强了试样骨料与基质的结合,减少结构缺陷,改善了材料的高温性能;2)在以镁铝尖晶石为主要原料的MA-Al₂O₃材料中,加入烧结刚玉可使其常温耐压强度增大,改善其高温抗蠕变性和抗热震性;3)在以白刚玉为主要原料的MA-Al₂O₃材料中,加入镁铝尖晶石细粉,其常温耐压强度、高温抗蠕变性和高温抗折强度均有大幅度提高。     

氢基竖炉用耐火材料服役环境模拟及设计

随着氢冶金技术及氢基竖炉的发展与推广，对其关键部位用耐火材料提出更高要求，明晰耐火材料服役环境特点并进行针对性的性能设计尤为关键。利用Ansys软件对氢基竖炉还原段内部及壁面服役过程中的温度、压强以及气相浓度分布进行数值模拟研究，并利用FactSage软件计算传统耐火材料典型组分在服役状态下的热力学稳定性。结果表明，高温高压服役区域集中在进气口附近，H₂O集中在炉顶及炉底区域。提高入炉气体温度对炉内温度场有一定影响，对压强场及气相组成基本无影响。传统耐火材料典型组分中Al₂O₃、ZrO₂、镁铝尖晶石、六铝酸钙及TiO₂的热力学稳定性较强，可作为炉壁耐火材料组分，AlN或TiC可作为添加剂提高相关性能，同时避免引入SiO₂、MgO、CaO、Cr₂O₃、Fe₂O₃、SiC、Si₃N₄、B₄C、BN杂质组分。本...     

化学组成对轻烧镁铝尖晶石结构与性能的影响

相比传统电熔镁铝尖晶石和烧结镁铝尖晶石,轻烧镁铝尖晶石晶格畸变大,反应活性高,所制备的铝镁浇注料抗渣渗透性更好。本文以工业氧化铝和轻烧镁砂细粉为原料,在1 600 ℃下烧结合成Al₂O₃质量分数在68%~76%的富镁尖晶石(68%和70%)、正尖晶石(72%)和富铝尖晶石(76%)试样,研究Al₂O₃含量对尖晶石试样常温物理性能、物相组成、晶体结构参数和显微结构的影响。结果表明:Al₂O₃含量的增加提高了试样的显气孔率;富镁尖晶石试样的物相为尖晶石和少量方镁石,其余试样只有尖晶石相;富铝尖晶石的晶格畸变大于富镁尖晶石和正尖晶石,晶粒尺寸和平均孔径小于富镁尖晶石和正尖晶石。     

煤熔渣对镁铝尖晶石质耐火材料的侵蚀机制

为了实现水煤浆气化炉炉衬材料的无铬化,研究开发合适的耐火材料代替水煤浆气化炉用高铬砖,以尖晶石骨料及细粉、α-Al_2O_3微粉和轻烧Mg O微粉为原料,于1 600℃保温5 h烧成,制备了φ50 mm×40 mm、内孔为φ25 mm×25 mm的镁铝尖晶石质坩埚试样。采用静态坩埚法,借助XRD、SEM+EDS研究了高温煤熔渣对试样的侵蚀行为。结果表明:1)侵蚀后的镁铝尖晶石材料结构疏松,出现较明显的裂纹,煤熔渣完全渗入试样内部。2)经煤熔渣侵蚀后的镁铝尖晶石材料,物相组成发生变化,除原有的镁铝尖晶石外,还有新物相镁铁铝复合尖晶石相存在。3)煤熔渣对镁铝尖晶石材料的侵蚀机制是物理渗透为主,化学熔蚀为辅。     

MA/CA2复相材料与水泥熟料反应特性研究

随着“铬公害”问题的提出,“无铬化”成为了水泥回转窑烧成带用耐火材料的热点.镁尖晶石砖具有良好的热震稳定性和抗碱、氯、硫侵蚀性等优点,是无铬碱性耐火材料发展的趋势之一,但是其在使用过程中存在粘挂窑皮性能较差的问题.本研究采用自制的MA/CA2复相材料来提高尖晶石粘附水泥熟料能力,通过X射线衍射分析以及扫描电镜分析研究了钙-尖晶石复相材料的性能与显微特征结构及其与水泥熟料高温下反应机理,研究表明MA/CA2复相材料中二铝酸钙能优先于镁铝尖晶石与水泥熟料中组分发生反应,生成钙铝黄长石和铝酸一钙等具有较高熔点物相,在熟料与复相材料之间形成致密反应烧结层,抑制水泥熟料的化学侵蚀与液相渗透,减小MA与水泥熟料的反应程度,提高了MA/CA2复相材料的残余强度.     

水泥熟料及碱盐对方镁石-镁铝尖晶石砖的侵蚀行为

对以电熔镁砂、电熔镁铝尖晶石为原料制备的方镁石-镁铝尖晶石砖进行了不同温度的抗侵蚀试验,研究了水泥熟料及碱盐(K2SO4、KCl)对方镁石-镁铝尖晶石砖的化学组成、矿物组成及显微结构的影响,从而研究其对方镁石-镁铝尖晶石砖的侵蚀行为。结果表明:1)水泥熟料对方镁石-镁铝尖晶石砖的侵蚀过程主要是向砖内渗透,侵蚀砖中方镁石及基质M2S生成低熔物CMS而使M2S、方镁石不断溶解,使砖形成致密的变质层,温度越高,渗透和侵蚀作用越剧烈。2)碱盐通过对砖的液相渗透和气相扩散,在砖中与杂质发生化学反应,生成新的气体并挥发,使砖的表层因碱盐的化学侵蚀而疏松,深层因残碱的沉积而致密。3)实际使用中,碱盐在高温层侵蚀砖中的方镁石及结合相而使高温层疏松,使水泥熟料大量渗透和侵蚀而形成致密的变质层;碱盐在低温层的析晶、沉积,使致密的变质层变厚。而致密且较厚的变质层在温度波动时将导致方镁石-镁铝尖晶石产生严重的结构剥落。     

钢包渣对轻质方镁石–镁铝尖晶石耐火材料的侵蚀机理

采用多孔方镁石–镁铝尖晶石陶瓷骨料、镁铝尖晶石细粉、镁砂细粉和刚玉细粉等原料制备了尖晶石细粉含量不同的轻质方镁石–尖晶石耐火材料。以钢包渣为侵蚀介质、采用静态坩埚法对材料进行了侵蚀实验,并借助扫描电子显微镜、能谱仪和Fact Sage?热化学软件研究了镁铝尖晶石细粉含量对轻质材料抗渣性能的影响。结果表明:镁铝尖晶石比方镁石具有更强的固溶Fe_2O_3和MnO的能力,能通过吸收渗透渣中Fe_2O_3和MnO增加渗透渣黏度,且当尖晶石细粉含量从0%(质量分数)逐步增大到26.5%时,材料气孔的平均孔径逐渐减小,这些有利于提高抗渣渗透性能;尽管镁铝尖晶石比方镁石更易于溶入钢包渣,但因增加尖晶石含量增强的抗渗透能力,减小了材料与渣的接触面积,减缓了尖晶石向渣中的溶解速率,进而提高了材料的抗渣侵蚀性能。随着尖晶石细粉含量从0%、8.5%、16.3%逐步增加到26.5%,轻质方镁石–尖晶石耐火材料的抗渣性能也逐步提高。     

Er2O3掺杂ZnO压敏陶瓷的制备及其电学性能

研究了Er₂O₃掺杂对ZnO–Bi₂O₃–Sb₂O₃–Co₂O₃–MnO₂–Cr₂O₃–SiO₂压敏陶瓷微观结构和电学性能的影响。Er₂O₃掺杂后，部分Er固溶于富Bi相中，对ZnO压敏陶瓷的晶界特性和电学性能产生了较大影响。随着Er₂O₃掺杂量从0.09%(质量分数)增大到0.35%，样品晶界电阻率不断减小，漏电流密度不断增大，双Schottky晶界势垒高度和非线性系数先增大后减小，击穿场强不断增大；当Er₂O₃掺杂量为0.27%时，所得ZnO压敏陶瓷非线性系数达到54.4±1.5，击穿场强为(470.1±2.8) V·mm^–1，漏电流密度为(1.9±0.1)μA·cm     

不同碱度渣对刚玉-尖晶石浇注料的侵蚀行为研究

浇注料的抗渣侵蚀性能与钢渣的碱度密切相关。以烧结刚玉、缺陷尖晶石微粉、活性α-Al₂O₃微粉、电熔镁砂细粉和铝酸钙水泥(Secar71)为主要原料,制备了刚玉-尖晶石浇注料,采用静态坩埚法于1 600℃保温3 h进行抗渣试验,并用热力学模拟计算了液相量和液相组成,研究了刚玉-尖晶石浇注料对3种不同碱度渣(1.6、2.3和7.6)的抗渣侵蚀性能。结果表明：刚玉-尖晶石浇注料在高碱度渣中溶解能力有限,在熔渣-耐火材料界面极易形成尖晶石固溶体和六铝酸钙等高熔点物相,形成致密层阻挡熔渣渗透和侵蚀。而其在低碱度渣中溶解度较高,在浇注料-熔渣达到较高反应程度时,才开始形成尖晶石固溶体和六铝酸钙等高温相,无法形成有效的致密层阻止熔渣对浇注料的侵蚀和渗透。因此,刚玉-尖晶石浇注料对高碱度渣抗渣侵蚀能力较强,对低碱度渣抗渣侵蚀能力较弱。     

不锈钢冶炼用铁水包Al2O3-SiC-C内衬砖的性能与侵蚀机理

铁水包内衬材料长期服役于间隔周期较长的高、低温交替环境,极易发生剥落与侵蚀损毁。为了探索影响铁水包内衬材料使用寿命的主要因素,对市面上四种铁水包Al₂O₃-SiC-C内衬砖的化学成分、物相组成、物理性能和微观结构进行了分析,并以高炉渣为侵蚀介质,重点研究了不锈钢冶炼用铁水包Al₂O₃-SiC-C内衬砖的侵蚀机理。结果表明:铁水包Al₂O₃-SiC-C内衬砖中Al₂O₃含量越高,高温下制品的液相量越低,越有利于提高耐火砖的高温力学性能;随着含碳量的增加,铁水包Al₂O₃-SiC-C内衬砖的抗渣性得到明显改善,但抗氧化性及高温抗折强度呈下降趋势;高炉渣中CaO、MgO向耐火砖中渗透,与耐火砖中的Al₂O₃、SiO₂发生反应形成高熔点的镁铝尖晶石及低熔点的钙长石等,生成的低熔相会加剧耐火砖的侵蚀。     

CA6质耐火材料在水泥回转窑过渡带的应用及损毁机制

为探索CA₆质耐火材料在水泥回转窑过渡带上应用的可行性，制备了气孔率高达27.7%的CA₆质耐火材料，砌筑于日产5 000 t回转窑的过渡带。经过2个月的运转，残砖厚度为180～200 mm,抗侵蚀性较好，且该材料的保温效果非常显著，相比于砌筑镁铝尖晶石砖的筒体温度降低了40～80℃。分析其损毁机制认为：碱金属尽管可以与CA₆反应生成KAl₁₁O₁₇,但反应进程较慢，对材料损毁影响不大；CA₆质耐火材料的损毁除受到水泥物料的熔蚀外，大量沉积的KCl是导致其结构劣变的关键因素；CA₆质耐火材料可用于回转窑过渡带，但需要致密化。