以分析纯MgO和SiO₂为原料,分别以分析纯NaCl、Na₂CO₃、NaCl-Na₂CO₃和Na₂SO₄为熔盐介质,采用熔盐法在1 100 ℃保温3 h合成镁橄榄石,并对合成镁橄榄石进行了XRD、SEM、EDS、Jade分析。结果表明:以Na₂CO₃或NaCl-Na₂CO₃为熔盐介质合成的镁橄榄石纯度很低,因为Na₂CO₃与MgO和SiO₂反应生成了大量的Na₂MgSiO₄。以NaCl为熔盐介质合成的镁橄榄石纯度非常高。以Na₂SO₄为熔盐介质合成的镁橄榄石纯度较高,有少量MgSiO₃生成。分析认为,在NaCl熔盐中合成镁橄榄石的机制为“模板生长”,在Na₂SO₄熔盐中合成镁橄榄石的机制为“溶解-析出”。

以SiC颗粒、Si粉、Al粉和活性α-Al₂O₃粉为原料,以Fe为催化剂,采用原位催化氮化法制备了β-SiAlON(z=3)结合SiC材料。研究了氮化温度(分别为1 350、1 400和1 450 ℃)和Fe加入量(分别为Si粉质量的1%、2%和3%)对合成材料的物相组成、显微结构、显气孔率、体积密度和高温抗折强度的影响。结果表明:氮化温度以1 400 ℃为佳,Fe加入量以Si粉质量的1%为佳;加入Si粉质量的1%的Fe、在1 400 ℃保温3 h氮化制备的试样中生成的β-SiAlON晶须直径较为均匀,试样的氮化程度、致密度和高温抗折强度均较大。

以烧结镁砂、鳞片石墨、Si粉、Ti₃AlC₂粉为主要原料,以酚醛树脂为结合剂,配制成w(鳞片石墨)=9%的普通MgO-C试样MC和w(鳞片石墨)=4%、w(Ti₃AlC₂)=3%的MgO-Ti₃AlC₂-C试样MC-3AC,经混练、成型、110 ℃干燥、220 ℃固化后,在埋碳条件下分别于1 100、1 400和1 600 ℃保温3 h热处理。检测试样的显气孔率、常温抗折强度、弹性模量和1 100、1 300、1 500 ℃空气气氛下的抗氧化性,并进行了XRD分析。结果表明:1)在220 ℃固化后,试样MC-3AC的显气孔率比试样MC的小,常温抗折强度和弹性模量比试样MC的大得多。2)在1 100~1 600 ℃埋碳热处理后,试样MC-3AC的显气孔率比试样MC的小,常温抗折强度和弹性模量均比试样MC的大。3)在1 100 和 1 300 ℃氧化时,试样MC-3AC的抗氧化性比试样MC的差,也比1 500 ℃时试样MC-3AC的差;但在1 500 ℃氧化时,试样MC-3AC的抗氧化性比试样MC的好。

以电熔镁砂、鳞片石墨和Si粉为原料,以掺入硝酸铁、硝酸钴和硝酸镍的酚醛树脂为结合剂,通过原位催化热解酚醛树脂的方法,在氩气气氛下,分别经800、1 100和1 400 ℃热处理,制备了低碳MgO-C耐火材料。研究了不同催化剂对低碳MgO-C耐火材料常温性能的影响,结果表明:硝酸铁为最佳的催化剂,硝酸铁的引入促进了碳纳米管(CNTs)和SiC晶须的原位生成,提高了耐火材料的力学性能。含硝酸铁的酚醛树脂加入试样时,经1 100 ℃热处理后其常温抗折强度和常温耐压强度最高。

应用第一性原理,采用Materials Studio计算软件的CASTEP模块,计算分析了石墨的氧化机制。计算结果表明:1)当层状石墨以六边形或条形方式失去C原子,产生结构缺陷时,体系的能量最低,结构最稳定。2)当石墨表面C原子与O原子结合发生氧化反应时,O原子更易与六边形或条形方向的C原子结合。3)石墨的实际氧化行为较好地验证了该计算结果。

采用板状刚玉颗粒和细粉、α-Al₂O₃微粉、碳酸钙微粉、铝酸钙水泥(CAC)等原料制备了刚玉质浇注料,研究了20 ℃下碳酸钙微粉对CAC水化速率、水化产物的相组成和显微结构的影响,同时也探究了碳酸钙微粉加入量(0~1.5%,w)对CAC结合刚玉质浇注料养护过程中强度的影响。结果表明:在20 ℃下,未加入碳酸钙微粉时,CAC水化速率较慢,水化产物主要为针柱状的CAH₁₀;加入碳酸钙微粉后,CAC水化速率明显提升,且其主要的水化产物从针柱状的CAH₁₀转变成片状的C₄A$\bar{C}$H₁₁。碳酸钙微粉的引入加速了CAC的水化,使得水化产物数量增多,CAC结合浇注料的养护强度显著提升。

为了进一步提高Al₂O₃-SiC-C浇注料的性能,以棕刚玉、碳化硅、沥青、红柱石粉、α-Al₂O₃微粉、SiO₂微粉、Si粉、Al粉、Secar 71水泥为原料制备了Al₂O₃-SiC-C浇注料,研究了低掺量(质量分数分别为0、1%、2%、3%、5%)红柱石粉(≤0.055 mm)等量替代浇注料中的棕刚玉细粉对浇注料致密度、强度、抗热震性和抗氧化性等的影响。结果表明:随着红柱石粉添加量的增大,烧后试样的显气孔率和体积密度减小,常温抗折强度、高温抗折强度、抗热震性和抗氧化性均增大。

为了提高Si₃N₄陶瓷的烧结致密度,采用振荡压力烧结工艺分别在1 745和1 775 ℃制备了Si₃N₄陶瓷,主要研究了Si₃N₄粉的粒度(平均粒径分别为0.4、2.0、2.3 μm)对Si₃N₄陶瓷的显微结构和性能的影响。结果显示:1)在两种温度的振荡压力烧结工艺下,由三种不同粒度的Si₃N₄粉制备的Si₃N₄陶瓷的相对密度都很大,为99.65%~99.86%,彼此相差很小。2)由平均粒径为0.2 μm的Si₃N₄粉在1 745 ℃烧结制备的试样的微观结构最均匀,其β-Si₃N₄晶粒平均长径比、抗弯强度和维氏硬度均最大,分别达到5.0、(1 364±65) MPa和(15.72±0.8) GPa;由平均粒径为2.3 μm的Si₃N₄粉在1 745 ℃烧结制备的试样的β-Si₃N₄晶粒的平均长径比、抗弯强度和维氏硬度均最小,分别为3.3、(846±49) MPa和(13.82±0.8) GPa。

为研究氢氧化铝制备α-Al₂O₃过程中的相转变和微观结构的变化,以氢氧化铝为原料,研究了不同煅烧温度(500、800、900、1 100、1 200、1 300 ℃)下氢氧化铝的相变过程和显微结构的变化。结果表明:1)在500 ℃时,一部分三水铝石脱除结晶水转化为一水软铝石;500~800 ℃时,三水铝石和一水软铝石继续脱除结晶水转化为氧化铝过渡相。2)在800~1 200 ℃时,氧化铝过渡相之间进行相转变;1 300 ℃时,过渡相全部转化为 α-Al₂O₃。3)煅烧温度为800 ℃时生成的γ-Al₂O₃和η-Al₂O₃比表面积最大,活性最高,为催化剂载体和提高电池循环寿命提供了新途径。

为了研究烧结刚玉骨料致密度对刚玉-尖晶石浇注料性能的影响,首先以工业Al₂O₃粉为原料制备不同致密度的烧结刚玉;然后以不同致密度的烧结刚玉为骨料制备刚玉-尖晶石浇注料,并研究了刚玉-尖晶石浇注料的致密度、强度、抗热震性和抗渣性等性能。结果发现:1)随着工业氧化铝粉成球坯体致密度的增大,制成的烧结刚玉的致密度和晶粒尺寸逐渐增大。2)随着烧结刚玉骨料致密度的增大,刚玉-尖晶石浇注料的需水性减小;烧后浇注料的致密度和常温强度增大,抗热震性变差。抗渣侵蚀性除采用体积密度为3.45 g·cm^-3的烧结刚玉骨料的浇注料明显较差外,其他浇注料的差别不大。3)综合考虑,烧结刚玉骨料的体积密度以3.51~3.55 g·cm^-3为佳。因此,不能片面地认为烧结刚玉的体积密度越大越好;过高的体积密度会导致耐火材料抗热震性能变差,并增加耐火材料单重。

为了研究各因素对镁橄榄石轻质球形骨料性能的影响以优化其制备工艺,以菱镁矿细粉(<0.045 mm)、天然硅石粉(<0.048 mm)和二氧化硅微粉为起始物料,使用浓度15%(w)的硫酸镁溶液为结合剂,采用圆盘造粒机成型料球,经高温煅烧后制备了镁橄榄石轻质球形骨料。选取二氧化硅微粉加入量(5%、10%、15%,w)、罐磨机转速(300、400、500 r·min^-1)、研磨时间(1、1.5、2 h)和煅烧温度(1 400、1 420、1 450 ℃)为研究因素,每个因素各选取3个水平进行正交设计,分析了各因素对球形骨料性能的影响。结果表明:二氧化硅微粉加入量和煅烧温度为主要影响因素,而罐磨机转速和研磨时间为次要影响因素。综合考虑,最优工艺路线为二氧化硅微粉加入量、罐磨机转速、研磨时间和煅烧温度分别为10%(w)、300 r·min^-1、1 h和1 420 ℃。采用优化工艺生产的轻质球形骨料的性能优良,孔径分布均匀,微孔数量增加,有望作为优良的碱性隔热耐火原料。

为了提高烧失法制备的多孔莫来石材料的气孔率和隔热性能,以SiO₂微粉和α-Al₂O₃微粉为主要原料,分别以固含量为3%(w)的SiO₂溶胶、固含量为5%(w)的ZrO₂溶胶、固含量为7%(w)的Al₂O₃溶胶浸渍的核桃壳粉为造孔剂,以PVA为结合剂,经球磨混合、压制成型、自然干燥、1 500 ℃保温3 h热处理制成多孔莫来石材料,检测了材料的显气孔率、体积密度、常温耐压强度、热导率,并分析了材料的物相组成和显微结构。结果表明:1)与以未浸渍核桃壳粉为造孔剂制备的多孔莫来石材料相比,以SiO₂溶胶、ZrO₂溶胶或Al₂O₃溶胶浸渍的核桃壳粉为造孔剂制备的多孔莫来石材料的烧后线收缩率显著减小,显气孔率显著增大,热导率显著减小;常温耐压强度虽然显著减小,但均超过30 MPa。2)比较发现,以SiO₂溶胶浸渍核桃壳粉为造孔剂制备的多孔莫来石材料的综合性能较佳,其显气孔率约为39%,常温耐压强度为55 MPa。

以三级矾土(5~0.088、≤0.088 mm)、特级矾土(1~0.088、≤0.088 mm)、碳化硅(≤0.074 mm)为主要原料,以铝酸钙水泥为结合剂,加入适量的α-Al₂O₃微粉、SiO₂微粉和减水剂制备了Al₂O₃-SiO₂浇注料。对经1 400 ℃空气气氛保温24 h烧后试样的线变化率、显气孔率、化学组成、物相组成和微观结构进行分析,探讨了SiC加入量(w)分别为3%、6%、8%、10%时SiC的惰性氧化对试样线变化率的影响。结果表明:1)SiC惰性氧化产物SiO₂可以填充气孔,降低显气孔率,但SiO₂生成后并不会立即与Al₂O₃发生反应形成莫来石;2)二次莫来石化是试样线变化率提高的主要因素,过量SiC抑制了自身的惰性氧化,氧化产物SiO₂相对减少,不利于试样的烧结以及二次莫来石化的持续进行;3)全组分试样中SiC加入量(w)为6%时,可以使试样在线变化率最大化的同时保持相对均匀的内、外部组织结构。

为了探究不同电熔镁砂颗粒对镁碳砖性能的影响,以粒度均为6~3、3~1、1~0.074、≤0.074 mm的97电熔镁砂、97.5电熔镁砂、97.5二钙电熔镁砂、97.5大结晶电熔镁砂4种镁砂为骨料,粒度≤0.074 mm的97.5大结晶电熔镁砂粉料为基质,酚醛树脂为结合剂,-196石墨为碳源,制备了4种镁碳砖试样。按照国标检测了4种镁碳砖试样的体积密度、显气孔率、常温耐压强度、高温抗折强度、抗渣性、抗氧化性以及试样的物相组成和显微结构。结果表明:1)方镁石晶粒大小、高温液相含量、高熔点相是影响镁碳砖试样性能的三大因素。2)方镁石晶粒越大,镁碳砖试样各种使用性能越好。3)高温液相含量是降低镁碳砖试样高温使用性能的主要因素之一。4)高熔点相会增大镁碳砖试样的显气孔率,降低其常温耐压强度和高温抗折强度,对抗氧化性和抗渣性影响明显。

为了提高铝酸钙水泥制品的疏水性,以铝酸钙水泥、聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯、板状刚玉等为原料,研究了采用整体疏水改性时,疏水修饰剂聚二甲基硅氧烷加入量(分别为加水质量的0、1%、2%和5%)对铝酸钙水泥净浆凝结时间、净浆试样疏水性的影响,以及对刚玉浇注料试样的致密度、常温强度、疏水性能的影响。结果表明:1)随着疏水修饰剂聚二甲基硅氧烷加入量的增多,铝酸钙水泥净浆的初凝时间和终凝时间均有所延长。2)随着疏水修饰剂聚二甲基硅氧烷加入量的增多,浇注料试样的致密度缓慢减小,常温耐压强度和常温抗折强度显著减小;水接触角由113°增大至151°,疏水性能逐渐提高,且对酸、碱、沸水具有极高的稳定性。

对2种天然矾土熟料块和3种均化矾土熟料块,通过切割和静态坩埚镶嵌的方法进行了1 500 ℃保温 6 h 的抗铁渣试验研究。结果发现:天然矾土熟料的抗铁渣侵蚀性显著优于均化矾土熟料的,与Al₂O₃含量和吸水率无正相关性;对于Al₂O₃含量88%(w)以上的高档天然铝矾土熟料,吸水率高低决定着抗铁渣侵蚀性能的优劣;对于均化铝矾土料,抗铁渣侵蚀性随Al₂O₃含量增加而增强,而与吸水率无关。通过SEM观察发现,玻璃相分布状态差异是导致天然矾土料和均化矾土料之间抗铁渣侵蚀性差异巨大的主要原因。因此,均化矾土料无论Al₂O₃含量高低,均不适合在铁沟等与熔融铁渣接触的部位使用。

以α-Al₂O₃、ρ-Al₂O₃和γ-Al₂O₃微粉3种不同晶型的氧化铝为铝源,与蓝晶石混合,加入聚乙烯醇压制成型,在不同热处理温度下(1 300、1 400、1 500和1 600 ℃)制备了莫来石试样,并研究了不同晶型氧化铝与蓝晶石制备莫来石材料的性能。结果表明:以α-Al₂O₃为铝源的试样在 1 600 ℃烧后的固相反应最完全,其主要物相为莫来石和氧化锆。并且当铝源为α-Al₂O₃时,制备出的试样具有较高的体积密度、较低的显气孔率和较高的耐压强度。

采用板状刚玉颗粒(6~3、3~1、≤1 mm)及细粉(0.045 mm)、电熔尖晶石颗粒(≤1 mm)及细粉(0.045 mm)、烧结尖晶石颗粒(≤1 mm)及细粉(0.045 mm)、活性尖晶石微粉(d₅₀=1.82 μm)、活性α-Al₂O₃微粉(d₅₀=1.68 μm)、Secar 71水泥等原料制备了刚玉-尖晶石浇注料。研究了不同种类尖晶石(电熔尖晶石、烧结尖晶石、烧结尖晶石+活性尖晶石)对浇注料性能的影响。结果表明:1)在刚玉-尖晶石浇注料中引入不同的尖晶石对试样经110 ℃保温24 h烘干后的抗折强度和耐压强度影响不大,但采用电熔尖晶石能降低加水量,提高流动性,得到优良的施工性能;2)采用电熔尖晶石有利于材料的抗渣侵蚀性能,但在抗渣渗透性及抗热震性方面,烧结尖晶石更占优势;3)加入适量的活性尖晶石微粉可以弥补烧结尖晶石的不足,提高浇注料的可施工性能,但对抗热震性会产生一定负面影响。

为进一步降低吨水泥熟料的煤、电和耐火材料消耗,通过材料的集成模块化和轻量化技术,研发了水泥回转窑过渡带用节能窑衬,探索了不同集成模块化结构节能窑衬的保温效果,并在5 000 t·d^-1新型干法水泥生产线上应用。该技术能够有效减轻窑衬质量,减小筒体负荷,降低筒体的表面温度。

梭式窑因间歇式运行,造成烟气量、烟气温度、污染物含量等指标随时都在变化,为烟气环保处理至达标排放带来一系列难题。经过多年实践,梭式窑烟气处理后的污染物含量满足《山东省区域性大气污染物综合排放标准》第四时段标准规定,排放指标控制稳定,实现了3条梭式窑的协同高效运行。

综述了近些年来干熄焦炉斜道区耐火材料的研究现状及损毁机制的研究进展,总结了现有研究的优点和不足,展望了干熄焦炉斜道区研究方向和发展趋势。

Al₂O₃气凝胶因轻质、耐高温、稳定性好的特性,在高温隔热领域具有极大的应用潜力。阐述了近年来Al₂O₃气凝胶的溶胶-凝胶法制备过程及机制,介绍了多种干燥工艺方法,总结了在疏水、增强和耐高温性能方面的改性工艺,展望了其未来的发展方向。