为了研究SiO₂微粉添加量对ρ-Al₂O₃结合刚玉质浇注料抗爆裂性能的影响,以电熔白刚玉、ρ-Al₂O₃、活性α-Al₂O₃微粉等为主要原料,分别添加质量分数为0、1%、2%、3%、4%、5%和6%的SiO₂微粉代替基质中的电熔白刚玉细粉,振动浇注成型后,分别检测其常温力学性能、透气度、孔径分布和抗爆裂温度。结果表明:随着SiO₂微粉加入量的增加,试样的常温力学性能增加,脱模后和110 ℃烘后的透气度值逐渐降低,经1 400 ℃热处理后的透气度值逐渐增加,且烧后试样的整体孔径逐渐增大,抗爆裂性能则是先增加后降低。综合考虑试样的力学性能和抗爆裂性能,SiO₂微粉的适宜添加量为1%~2%(w)。

采用发泡法将气孔引入Si坯体,使体积分别增加0、1、2、3倍,经原位氮化制备出显气孔率分别为49%、74%、81%和87%的Si₃N₄纤维材料,研究了氧化温度(1 150、1 350和1 550 ℃)和显气孔率对Si₃N₄纤维材料抗氧化性的影响。结果表明:1)温度是影响Si₃N₄纤维材料抗氧化性的关键因素,随温度升高试样氧化后生成SiO₂的量逐渐增多。孔中Si₃N₄纤维因具有较大的比表面积,1 550 ℃氧化后全部转化为串珠状SiO₂结构,Si₃N₄纤维材料理想的使用温度应低于1 150 ℃;2)试样显气孔率由49%提高至87%,氧化后生成SiO₂的量变化不大;3)发泡法引入的气孔可部分吸收孔壁上Si₃N₄氧化产生的体积效应,避免孔壁在氧化中产生裂纹。同时,Si₃N₄氧化产生的体积膨胀可使孔壁结构致密化,有利于提高材料强度。

以电熔白刚玉粉为主要原料,水性双酚F环氧树脂或油性双酚F环氧树脂为结合剂,水或乙醇为溶剂,水性脂肪胺或油性脂肪胺为固化剂,经配料、搅拌、轻捣成型、干燥后,于150 ℃保温2 h制成刚玉基多孔陶瓷试样。研究了双酚F环氧树脂种类(分别为水性或油性)、刚玉粉粒度(分别为100、220、800目,即<0.15、<0.07、<0.02 mm)、树脂用量(分别为3、5、8、11 g)以及是否添加偶联剂对试样显气孔率、常温抗折强度、浸水后抗折强度保持率等性能的影响。结果表明:1)与水性双酚F环氧树脂结合试样相比,油性双酚F环氧树脂结合试样的显气孔率较小,常温抗折强度较大。2)随着刚玉粉粒度的减小,试样显气孔率逐渐减小,常温抗折强度呈先增大后减小的变化趋势;采用<0.07 mm(220目)刚玉粉制备的试样综合性能较好,显气孔率为46.26%,常温抗折强度为13.21 MPa。3)随着双酚F环氧树脂添加量的增加,试样的显气孔率逐渐减小,常温抗折强度和浸水后常温抗折强度逐渐增大;添加5 g油性双酚F环氧树脂制备的试样综合性能最优,显气孔率为36.81%,常温抗折强度达20.98 MPa,浸水48 h后常温抗折强度保持率为27.98%。4)添加1.2 g硅烷偶联剂KH-560后,试样浸水后常温抗折强度保持率大幅提高至80%。

以电熔镁砂、电熔尖晶石和金属铝为原料,酚醛树脂为结合剂,制成MgO-MA和含有5%(w)金属Al的MgO-MA-Al试样。在110 ℃干燥24 h后,一部分试样在密闭匣钵中于1 600 ℃保温5 h热处理,分析其物相组成和显微结构;另一部分试样于氮气气氛1 600 ℃保温5 h进行抗钢渣试验。结果表明:1)在密闭匣钵于1 600 ℃保温5 h热处理过程中,含有5%(w)金属Al的MgO-MA-Al试样因强还原性单质Al的存在促进了MgO向Mg(g)转化,从而促进MgO致密层的形成。2)在氮气气氛1 600 ℃保温5 h进行抗渣试验的过程中,同样会发生试样外层致密化的过程。这使试样的抗渣渗透性和抗渣侵蚀性得到提高。

研究了三种活性氧化铝微粉的粒度特性、饱和浸出液的pH、悬浊液Zeta电位随pH的变化、固含量50%(φ)的浆料的流变特性,并通过对切应力-切变速率曲线进行Herschel-Bulkley拟合和灰色关联度分析,探讨了浆料流变特性与微粉特性参数的关联性。还研究了三种聚羧酸盐型分散剂对固含量50%(φ)的浆料的流变特性的影响。结果表明:1)在低切变速率下,由d₅₀最大、粒度分布范围最宽的微粉制得的浆料的切应力和表观黏度均最小。2)灰色关联度计算得出,参考浆料的屈服应力、黏度系数和表观黏度与微粉的pH和d₁₀的关联度较大,但都没有达到0.9,表明浆料的流变特性受多因素共同影响;在1~100 s ^-1范围内,切变速率增大,氧化铝微粉特性参数对浆料流变特性的影响程度降低。3)三种分散剂中,无载体和以氧化铝为载体的聚羧酸盐型分散剂对活性氧化铝微粉浆料具有较好的分散效果,以水泥为载体的聚丙烯酸盐型分散剂的分散效果较差。

通过XRD和SEM对1 300、1 410和1 540 ℃保温5 h热处理后氧化锆质定径水口的相组成和显微结构进行表征,研究温度梯度对水口损毁的影响。结果表明:定径水口原样分别在1 300、1 410和1 540 ℃保温5 h后水淬冷却,试样中的c-ZrO₂、m-ZrO₂相含量和晶粒尺寸均发生了显著变化。随着热处理温度的提高,c-ZrO₂相含量增加,m-ZrO₂相含量减少,晶粒尺寸增大,说明连铸过程中定径水口产生的温度梯度会对其相组成和显微结构产生影响,并通过与钢渣侵蚀的协同作用,诱导定径水口损毁加速,从而降低其性能和使用寿命。

以均化矾土生料和炭黑为主要原料,研究了炭黑种类(炭黑N990和炭黑N774)、加入量(加入质量分数分别为0、4%和8%)及热处理温度(1 450、1 500和1 550 ℃下保温3 h)对轻量均化矾土孔结构的影响。结果表明:随着温度的升高,轻量均化矾土气孔数量逐渐减少,平均孔径增大;炭黑N990易于分散,所制得的轻量均化矾土气孔分布均匀且孔径尺寸相对较小;炭黑N774粒子难以均匀分散,所制得的轻量均化矾土孔径分布不规律,且其平均孔径随加入量增加而明显增大。

研究了Al₂O₃含量(w)分别为66%、71%、75%、85%、90%的高纯烧结镁铝尖晶石材料和不同Al₂O₃含量的电熔再结合镁铝尖晶石材料的热态抗折强度、压蠕变特性、显微结构等。结果表明:1)对于高纯烧结镁铝尖晶石材料,随着Al₂O₃含量的增大,其热态抗折强度都有所增大。Al₂O₃含量为66%(w)的试样是尖晶石-方镁石复相材料,方镁石的存在弱化了晶界结合力,高温强度较小。Al₂O₃含量(w)分别为71%、75%、85%的试样,随着Al₂O₃含量的增大,晶粒尺寸变大,晶界结合力增强,断裂方式由沿晶断裂为主过渡到穿晶断裂为主,高温强度也随之增大。Al₂O₃含量为90%(w)的试样为尖晶石-刚玉复相材料,导致其高温强度低于Al₂O₃含量为85%(w)的试样的。2)电熔再结合镁铝尖晶石试样的烧结性随着Al₂O₃含量的增加而减小,抗蠕变性随着Al₂O₃含量的增加而增大。

采用静态坩埚法,在埋碳气氛中对SiC-CA₆复合材料进行了1 500 ℃保温3 h的抗煤熔渣侵蚀试验,通过XRD、SEM、EDS等分析了煤熔渣对SiC-CA₆复合材料的侵蚀机制。结果表明:1)在还原气氛下,SiC-CA₆复合材料中未发现明显的侵蚀层,形成的渗透层较薄且比较致密,表明SiC-CA₆复合材料具有较好的抗煤熔渣性能。2)煤熔渣对SiC-CA₆复合材料的侵蚀主要包括渣层界面处的SiC颗粒被渣中的铁氧化物氧化,以及基质中的CA₆与渣中的SiO₂、Al₂O₃、CaO反应生成CAS₂。CAS₂溶入渣中使得界面处局部区域内的熔煤渣黏度增大,抑制了熔渣向材料内部的进一步渗透。

镁钙系耐火材料是冶炼洁净钢的理想耐火材料,然而其中的游离氧化钙易水化,限制了其广泛的应用。在本工作中,采用第一性原理计算的方法研究了H₂O分子在CaO(100)表面的吸附行为。在此基础上又研究了外加电场对H₂O分子在CaO(100)表面吸附行为的影响。结果表明:H₂O分子最容易以垂直向上取向和垂直向下取向吸附于CaO(100)表面的桥位。在外加负电场的作用下,H₂O分子与CaO(100)表面之间的距离和吸附能均随电场强度的增强而增大。同时H₂O分子的键角不断减小,逐渐趋向于单独水分子。电荷转移结果表明,随着负电场强度的增加,Ca原子向O原子转移的电子越来越少,这再次表明H₂O分子与CaO(100)面的相互作用不断减弱。在外加正电场的作用下,随着电场强度的逐渐增强,H₂O分子和CaO(100)面间的距离变化不大,但吸附能逐渐由负值变为正值。外加电场可以抑制H₂O分子在CaO表面的吸附,为镁钙系耐火材料防水化提供了一种新方法。

以SiC、炭黑和热固性酚醛树脂为主要原料,配制成Al粉外加量分别为0和4%(w)的两种试样,经混料、成型、180 ℃固化、800 ℃炭化后,在石墨坩埚中用单质Si掩埋,在真空条件下分别经1 550 、1 600、1 650和1 700 ℃烧成反应烧结碳化硅。结果表明:1)未添加和添加4%(w)Al粉的试样经1 550~1 700 ℃烧成后,其主要物相均为α-SiC、β-SiC和游离Si。2)添加4%(w)Al粉试样的烧后线变化更小;经1 600 ℃烧成后残余Si量最低,SiC含量最高,综合性能最优。3)Al具有较大的可塑性,添加4%(w)Al粉试样的成型致密度更高,气孔更少更小,在反应烧结过程中液态Si渗入的阻力更大,渗入量更少,最终残余量也更少,试样的高温强度更高;经1 700 ℃烧成生成Al₄SiC₄,增强了物料颗粒之间的结合。

以棕刚玉、碳化硅、铝酸盐水泥、α-Al₂O₃微粉、SiO₂微粉等为原料制备了Al₂O₃-SiC-C质浇注料试样,研究了沥青种类(球状沥青、高温改质沥青、球状+高温改质沥青)、沥青与鳞片石墨(或炭黑)复合对浇注料流动性及经110、1 100和1 450 ℃热处理后试样性能的影响。结果表明:使用球状沥青和高温改质沥青复合可以改善材料的流动性和抗氧化性;随着热处理温度的升高,试样的体积密度、抗折强度和耐压强度均呈先降后增的趋势,显气孔率的变化与之相反;复合碳源加入后会导致浇注料的需水量增加,但抗氧化性和抗渣性得到明显提高,其中沥青和炭黑复合的浇注料的高温抗折强度最高,抗氧化性和抗渣性最佳。

以低品位菱镁矿为原料,向其添加0~3%(w)的La₂O₃,于1 600 ℃下保温3 h煅烧,测定了烧后试样的体积密度、显气孔率、常温抗折强度等,并分析了烧后试样的物相组成和显微结构。结果表明:在菱镁矿中添加La₂O₃,生成的硅酸钙镧矿物相呈树枝状交错分布在MgO晶界处,枝晶增韧,增大了抗折强度。加入2%(w)La₂O₃时试样的力学性能最佳,烧结试样的抗折强度达到103.1 MPa。La₂O₃可以促进方镁石晶粒的生长,当La₂O₃加入量超过2%(w)时,方镁石晶粒尺寸的增长有减缓的趋势,这可能是由于大量的第二相存在于晶界处,抑制了方镁石晶粒的生长,从而抵消了部分La₂O₃对晶粒生长的促进作用。

以人工合成镁钙砂、电熔镁砂为主原料,无水酚醛树脂作为结合剂,制备了不烧镁钙系试样。研究了二茂铁外加量(质量分数分别为0、0.5%、1%、1.5%)对试样性能的影响,并通过SEM和XRD分析了试样的显微结构和相组成。结果表明:1)经过200、1 650 ℃热处理后,试样的体积密度、常温耐压强度和抗水化时长随着二茂铁含量的增加呈先上升后下降的趋势,当二茂铁含量为1%(w)时,性能最佳;2)1 650 ℃热处理后,二茂铁的引入可以在试样中形成铁酸钙,且有部分碳残留。

为研究烧结氧化锆多孔骨料为原料制备氧化锆制品的性能,分别以自制烧结氧化锆多孔骨料和市售氧化锆空心球为骨料,电熔氧化锆细粉和氧化锆微粉为基质,水溶性树脂为结合剂,液压成型试样经110 ℃干燥后于燃气窑内1 800 ℃保温6 h烧成,检测了烧后试样的性能,分析了烧成试样的显微结构。结果表明:采用烧结氧化锆多孔原料为骨料制备的试样具有适中的体积密度和较高的常温耐压强度,高温抗折强度与氧化锆空心球为骨料试样的相当,压蠕变率和热导率较高。SEM分析表明,烧结骨料颗粒与氧化锆基质具有更好的结合性,是其强度提高的主要原因,弥散性小气孔有利于阻隔热量的传播。

为了提高电弧炉炼钢沉降室耐火材料选材的科学性,使用南钢电弧炉炼钢沉降室烟尘,对南钢电弧炉炼钢烟尘沉降室在用的黏土砖以及拟用的氮化硅结合碳化硅砖和镁铬砖进行了静态坩埚法抗渣试验,结果表明:1)镁铬砖抗渣性能最好,氮化硅结合碳化硅砖次之,黏土砖最差。2)高温下,黏土砖中重要成分SiO₂、Al₂O₃易与液态烟尘渣反应而溶解到渣中。液态烟尘渣对氮化硅结合碳化硅砖的润湿性较差,熔渣很难渗透到砖中;但氮化硅结合碳化硅砖在高温下容易发生氧化,氧化产物SiO₂很容易与烟尘渣反应而溶解。液态烟尘渣虽然能渗透到镁铬砖中,但镁铬砖中主要成分方镁石和镁铬尖晶石不容易与烟尘渣发生反应。

以Fe₂O₃粉、Al₂O₃粉和石墨粉为主要原料,分别以NaCl、KCl、NaCl-KCl和NaCl-Na₂CO₃为熔盐介质,采用熔盐法在1 000 ℃高纯氮气气氛中保温3 h合成铁铝尖晶石粉,然后对合成铁铝尖晶石粉进行XRD、SEM-EDS和粒度分析。结果表明:以NaCl-Na₂CO₃作为熔盐介质未能合成出铁铝尖晶石,因为Na₂CO₃与Al₂O₃在Na₂CO₃熔点(851 ℃)以上温度反应生成了Na₂Al₂O₄。以NaCl、 KCl和NaCl-KCl作为熔盐介质均能合成出纯度较高的铁铝尖晶石,并且在NaCl-KCl熔盐介质中合成的铁铝尖晶石的平均粒度比在KCl和NaCl熔盐介质中合成的铁铝尖晶石的大,粒度分布也更均匀。

综述了镁锆质耐火材料的研究现状,重点介绍了引入锆源的种类、加入量及添加剂对镁锆质耐火材料性能、组成和结构的影响,期望为镁锆质耐火材料的生产和应用提供参考。

综述了添加剂在MgO-MA质材料中应用的研究进展,包括其对材料烧结、强度、抗热震性及抗渣侵蚀性等性能的改善,并就作用机制进行了概述。