王博, 庄辛鹏, 李归, 王宇龙, 李媛琪, 施伟, 李佳艳

2024, (5): 369-375. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.001

为提升C/SiC复合材料表面Si涂层的韧性及其与C/SiC复合材料的结合强度,首先以10 mm×10 mm×10 mm的C/SiC复合材料作为基体,在基体表面生成约20 μm厚的SiC纳米线(SiCnws)多孔层;再用大气等离子体喷涂法分别将生长SiCnws的基体和未生长SiCnws的基体喷涂约30、60、90 μm厚的Si涂层。研究SiCnws对涂层试样的结合强度和抗氧化性的影响,并借助XRD、SEM、TEM和EDS对所制备的SiCnws和SiCnws/Si涂层进行物相组成、显微结构的分析。结果表明:1)制备的SiCnws形状平直,表面光滑,取向随机,直径为100～200 nm,是沿[111]晶向择优生长的β-SiC;2)SiCnws引入到Si涂层后,SiCnws/Si涂层试样的结合强度均比相应的Si涂层试样的高,说明SiCnws增强了Si涂层与C/SiC复合材料的结合;3)从室温至1 400 ℃经历12次热震循环后,SiCnws/Si涂层试样的质量损失率比相应Si涂层试样的低20.7%~37.2%,说明SiCnws能有效缓解热应力,抑制裂纹的形成和扩展,降低裂纹尺寸和数量,提高涂层的抗氧化性。

ρ-Al₂O₃复合铝酸钙水泥烧结助剂对多孔碳化硅陶瓷性能的影响

潘进文, 姜洪义

2024, (5): 376-380. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.002

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为了提高多孔碳化硅陶瓷的性能,以绿碳化硅为主原料,石墨为造孔剂,用铝酸钙水泥(CAC)和水合氧化铝(ρ-Al₂O₃)配制成复合烧结助剂(ρ-Al₂O₃-CAC),经1 450 ℃保温3 h,制备多孔碳化硅陶瓷。研究了ρ-Al₂O₃-CAC加入量(加入质量分数为2.5%~20%)对多孔碳化硅陶瓷物相组成、显微结构和性能的影响。结果表明:1)ρ-Al₂O₃-CAC能促进碳化硅的氧化,并与碳化硅氧化生成的SiO₂发生原位反应,形成玻璃-莫来石复相结合,同时还在结合相中引入气泡,气泡会随ρ-Al₂O₃-CAC加入量的增加而长大;2)当ρ-Al₂O₃-CAC的加入量为12.5 %(w)时,制得的多孔碳化硅陶瓷综合性能最佳,其显气孔率为39.1%,室温弯曲强度为39.3 MPa,透气度为26.74 m³·h^-1·kPa^-1·m^-2,抗热震性最优。

硼/碳热还原结合热压烧结原位制备ZrB₂陶瓷及其性能研究

刘苗伟, 贾全利, 彭西高, 张小会, 张子英, 王海梅, 王佳

2024, (5): 381-386. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.003

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为降低制备成本,提高ZrB₂陶瓷的性能,以ZrO₂、B₄C、炭黑为原料,按n(ZrO₂)∶n(B₄C)∶n(C)分别为2∶1∶3、2∶1.1∶3、2∶1.2∶3、2∶1.3∶3配料,采用硼/碳热还原结合热压烧结法原位制备了ZrB₂陶瓷。利用反应热力学计算了不同CO分压(10⁵、10²、1和10^-2 Pa)下ZrO₂-B₄C-C体系中各反应发生的概率和起始反应温度。研究了原料配比和热处理温度(1 800、1 850、1 900和1 950 ℃)对ZrB₂陶瓷试样性能、物相组成和显微结构的影响。结果表明:1)低CO分压显著降低该体系中各反应的起始温度;2)随B₄C加入量的增加,ZrB₂相含量增多,当n(ZrO₂)∶n(B₄C)∶n(C)=2∶1.2∶3时,制备出氧含量仅为0.333%(w)的ZrB₂粉(以B₂O₃和ZrO₂的形式存在);3)随热处理温度的升高,试样的致密度和硬度逐渐增大,弯曲强度和断裂韧性呈先上升后下降的趋势。当热处理温度为1 900 ℃时,试样的综合性能最佳,其相对密度、断裂韧性、弯曲强度和硬度分别为91.75％、4.87 MPa·m^1/2、525 MPa、18.6 GPa。

菱镁矿尾矿细粉对MgO-SiO₂质浇注料性能的影响

张晓存, 聂建华, 梁永和, 高东升, 鄢文, 尹玉成

2024, (5): 387-392. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.004

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为提高MgO-SiO₂质浇注料的烧结性能,缩短烧结时间并降低生产成本,以电熔镁砂、SiO₂微粉、板状刚玉细粉、碳化硅细粉和菱镁矿尾矿细粉为主要原料,制备了MgO-SiO₂质浇注料。研究了菱镁矿尾矿细粉加入量(加入质量分数分别为0、2%、4%、6%和8%)对浇注料流动性、显微结构以及力学性能的影响。结果表明:1)菱镁矿尾矿细粉分解生成的高活性MgO与SiO₂微粉原位反应促进了镁橄榄石颈部连接的形成,且原料中镁砂与刚玉细粉的原位反应促进了尖晶石颈部连接的形成;2)菱镁矿尾矿中的CaO和SiO₂等杂质在高温下与MgO反应生成了低熔点钙镁橄榄石相,在1 500 ℃时以液相存在,促进了试样的烧结;3)添加4%(w)的菱镁矿尾矿细粉时,浇注料的综合性能最佳。

羟基化TiO₂对水泥窑用镁质轻质骨料性能的影响

孙格格, 李国华, 矫长发, 田琳, 邓舒丹

2024, (5): 393-399. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.005

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为了改善水泥回转窑用烧成带耐材的高负荷和高导热问题,开发适用于水泥窑的轻质骨料。以轻烧氧化镁粉为原料,十二烷基苯磺酸钠为发泡剂,三乙醇胺为分散剂,TiO₂为助烧剂,先制取镁质泡沫料浆,再于 1 600 ℃下保温2 h热处理制备镁质轻质骨料。研究TiO₂加入量(加入质量分数分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)对镁质泡沫料浆及镁质轻质骨料性能和显微结构的影响。结果表明:1)TiO₂表面发生羟基化,随TiO₂加入量增加,泡沫料浆黏度增加,表面张力和接触角减小,料浆内气泡平均直径为114.30~53.76 μm;2)TiO₂与轻烧氧化镁粉中的CaO反应生成CaTiO₃,随TiO₂加入量的增加,氧化镁晶粒平均尺寸增大,晶间气孔减少,轻质骨料试样的体积密度增大,显气孔率减小;3)当TiO₂加入量为1.0%(w)时,试样物理性能最优。

Y₂O₃-MgO外加量对Isobam凝胶流延氮化硅性能的影响

付杰, 刘源, 赵振威, 孔源, 杨露君, 王安修, 马成良

2024, (5): 400-404. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.006

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针对共价键氮化硅材料难实现致密烧结的问题,以Isobam(异丁烯马来酸酐共聚物)为凝胶体系,Si粉为原料,分别添加不同量的烧结助剂Y₂O₃-MgO(Y₂O₃和MgO的物质的量比为4∶3,外加质量分数分别为4%、6%、8%和10%),通过凝胶流延成型制备了Si流延片,在1 400 ℃氮气气氛下保温2 h后,升温至1 750 ℃保温2 h两步烧结制备了Si₃N₄陶瓷基板试样。探究了烧结助剂外加量对氮化硅陶瓷基板性能的影响。结果表明:添加Y₂O₃-MgO烧结助剂可促进烧结后试样α-Si₃N₄向β-Si₃N₄的转变;随着Y₂O₃-MgO烧结助剂外加量(w)从4%增至8%,烧结过程中生成了更多的液相,促进了液相传质,导致长柱状β-Si₃N₄晶粒增多和生长,试样的致密度、硬度、断裂韧性、抗弯强度、热导率随着烧结助剂外加量的增加而增大。但当烧结助剂外加量(w)为10%时,由于β-Si₃N₄晶粒的异常长大,试样的各项性能均下降。当烧结助剂外加量为8%(w)时,氮化硅试样的综合性能最好。

以蔗糖为碳源制备亚微米级TiB₂粉体的研究

王兴国, 陈滨, 李欣, 长世伦, 徐晨, 杨建红

2024, (5): 405-409. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.007

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为探讨有机碳源对TiB₂粉体细化的影响,以TiO₂、B₄C和蔗糖为原料,分别在1 150、1 250、1 350、1 450 ℃ 保温30 min,通过硼热/碳热还原法制备了TiB₂粉体,并初步探讨了TiO₂-B₄C-蔗糖体系的反应机制以及TiB₂晶粒的细化机制。结果表明:在硼热/碳热还原过程中,Ti₂O₃和TiC是两种重要的中间产物,且均由TiO₂和C直接反应生成,随后TiB₂则可能以Ti₂O₃或TiC为钛源分别与B₂O₃和C反应生成。此外,由于蔗糖裂解出的高活性纳米碳具有孔隙结构,可提高反应效率,使得该体系在1 450 ℃保温30 min的条件下成功制备出平均粒径为0.35 μm的亚微米级TiB₂粉体。

稀土氧化物对低温固相合成镁铝尖晶石纤维的影响

郭江鹏, 邓长宇, 王昕悦, 陈昕煜, 段红娟, 张海军

2024, (5): 410-413. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.008

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为探究稀土氧化物和合成温度对合成镁铝尖晶石纤维的影响,以碱式硫酸镁晶须、铝溶胶为主要原料,分别以Y₂O₃、La₂O₃、Nd₂O₃为添加剂,经不同温度热处理后,制备了镁铝尖晶石纤维,研究了添加剂的种类(Y₂O₃、La₂O₃、Nd₂O₃)、加入量(加入质量分数分别为0、1%、2%和3%)以及不同热处理温度(800、1 000和 1 200 ℃保温3 h)对低温固相合成镁铝尖晶石纤维的影响。结果表明:1)以碱式硫酸镁晶须、铝溶胶为原料,添加质量分数为3%(w)的Nd₂O₃或Y₂O₃在800 ℃热处理时均对镁铝尖晶石纤维的合成具有较为明显的促进作用。2)热处理温度为1 000 ℃时,添加3%(w)Nd₂O₃合成镁铝尖晶石纤维的效果最好。

钙源粒度对低导热钙长石陶瓷性能的影响

袁航, 占华生, 罗华明, 王涵宇, 刘景溢, 钱坤,邓通, 胡思铭, 黄朝晖

2024, (5): 414-418. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.009

摘要 ( ) PDF (1886KB)( )

为制备性能良好的低导热多孔钙长石耐火材料,以石英砂细粉为硅源,Al(OH)₃为铝源,选取石灰石细粉(平均粒径为1 110.3 nm)、4种不同粒度的纳米碳酸钙(平均粒径分别为653.1、564.4、362.2和313.5 nm)作为钙源,分别在1 100、1 200、1 300和1 400 ℃保温3 h,采用高温固相反应制备了钙长石陶瓷,研究了热处理温度、钙源对钙长石陶瓷性能的影响。结果表明:不同种类钙源(石灰石和纳米碳酸钙)对合成的钙长石试样的物相组成影响不大,但纳米碳酸钙可明显降低生成钙长石相所需温度;随着钙源平均粒径从653.1 nm降低到313.5 nm,钙长石陶瓷由颗粒状向片层状和板柱状转变;试样的显气孔率在18.0%左右,体积密度在1.40 g·cm^-3左右,两者受影响不大;随着钙源粒度的减小,试样的常温耐压强度由15.3 MPa提升至19.3 MPa,热导率由 1.893 W·m^-1·K^-1降低至1.633 W·m^-1·K^-1,使用纳米碳酸钙可以降低钙长石陶瓷的热导率,为制备低导热陶瓷提供了一种技术途径。

活性氧化铝加入量对活性氧化镁结合刚玉-尖晶石浇注料性能的影响

高广泽, 张洪睿, 李建伟, 陈留刚

2024, (5): 419-423. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.010

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为改善活性氧化镁结合刚玉-尖晶石浇注料的性能,以板状刚玉、活性氧化铝微粉、活性氧化镁微粉和乳酸铝为原料,制备了活性氧化镁结合刚玉-尖晶石浇注料,研究了活性氧化铝微粉加入量(加入质量分数分别为0、8%、13%和18%)对浇注料显微结构、物相组成、物理性能及抗渣侵蚀和渗透性能的影响。结果表明:1)活性氧化铝微粉的加入促进了活性氧化镁结合刚玉-尖晶石浇注料的烧结,提高了骨料和基质的结合程度,使浇注料显微结构更加致密;2)随着活性氧化铝微粉加入量的增加,试样体积稳定性提高,显气孔率降低,体积密度增加,常温抗折强度和耐压强度及抗渣性提高;3)当活性氧化铝微粉加入量为18%(w)时,活性氧化镁结合刚玉-尖晶石浇注料的综合性能最好(考虑到颗粒级配和原料成本的问题,没有必要再进一步增加活性氧化铝微粉),其体积密度为3.05 g·cm^-3,显气孔率为18.5%,加热永久线变化为0.31%,常温抗折强度和耐压强度分别为13.5和73.8 MPa,抗渣性最佳。

新型聚硅氮氧烷的合成及其热解特性研究

徐汇, 杜贻昂, 王福稳, 李威, 徐娜娜, 欧钰城, 王兵

2024, (5): 424-430. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.011

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为了制备具有[SiN₃O]结构单元、陶瓷化温度低的聚硅氮氧烷(PSOZ)先驱体,以三异氰基甲基硅[MeSi(NCO)₃)]为原料,采用部分水解和氨解反应,制备了PSOZ先驱体。通过控制MeSi(NCO)₃水解反应的pH(4.7、5.4、5.9)、物料比[n(H₂O)∶n(MeSi(NCO)₃)=1∶3、1∶2、2∶3]和水解温度(-10、-20、-30、-40、-50 ℃),提高二硅氧烷中间体的产率,进而提高PSOZ先驱体的陶瓷产率,并研究了PSOZ的热解特性。结果表明:1)PSOZ在800 ℃时完成无机化,此时试样中的硅甲基(Si—CH₃)和异氰基(—NCO)完全分解;经 1 400 ℃热处理后,产物开始陶瓷化转变,局部出现Si₂N₂O微晶;经1 600 ℃热处理后,得到高结晶的Si₂N₂O陶瓷;2)在pH=4.7、n(H₂O)∶n(MeSi(NCO)₃)=1∶2,水解温度为-40 ℃的条件下制备的PSOZ先驱体的陶瓷产率最高,为57.1%(w)。

AOD脱铁提镍工艺用镁碳砖的侵蚀机制

李振, 齐江涛, 谭建兴, 郑俊国, 李院高

2024, (5): 431-435. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.012

摘要 ( ) PDF (1886KB)( )

为了探究AOD(氩氧精炼)脱铁提镍工艺用镁碳砖的损毁原因,从AOD脱铁提镍炉下线炉衬渣线镁碳砖取样,分析了AOD脱铁提镍工艺用后渣线镁碳砖的化学和物相组成及显微结构,并采用FactSage热力学软件模拟了脱铁渣对镁碳砖的侵蚀,并对比其与镁钙砖炉衬对钢水纯净度的影响。结果表明:在冶炼机械应力和耐火材料毛细管力的双重作用下,高FeO含量脱铁渣进入方镁石相界面;由于FeO和MgO可以无限固溶,相界面的黏结相和部分方镁石相会溶解进脱铁渣中,导致耐火材料中方镁石骨料剥落,且高温液相黏度降低,耐火材料缓冲应力能力下降。在机械应力的作用下,脱铁渣对耐火材料剧烈扰动,形成机械剥落,造成用后耐火材料工作面较为平缓且光滑,分形维数在1.1~1.2。高温液相进入脱铁渣过程中,使得镁碳砖中石墨相在强氧化环境下得以大量保存,同时降低了耐火材料对镍铁水的影响;与使用镁钙砖相比,镁碳砖炉衬寿命大幅提升,镍铁水纯净度方面达到了镁钙砖相同的效果。

混料工艺对铝锆碳耐火材料生坯性能的影响

程厚睿, 邓承继, 尹鑫, 王萱, 丁军, 祝洪喜, 余超

2024, (5): 436-439. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.013

摘要 ( ) PDF (2474KB)( )

针对铝锆碳耐火材料生坯显微结构和力学性能的调控与优化,以板状刚玉、锆莫来石、锆刚玉为骨料,α-Al₂O₃微粉、鳞片石墨、添加剂为细粉,木质素磺酸盐为结合剂,机压成型制备铝锆碳耐火材料试样和基质试样。研究了细粉的混料工艺(手动混料0.5 h、未混料、球磨混料2和5 h)对基质试样和耐火材料试样体积密度、显气孔率、常温耐压强度和显微结构的影响。结果表明:细粉的混料工艺对试样显气孔率和体积密度的影响较小,但对显微结构和常温耐压强度影响显著。球磨混合使得原料分布均匀,显著减少气孔、裂纹等缺陷,并使得基质原料的粒度均匀性提高和比表面积增加,有利于木质素磺酸盐溶液结合剂的吸附和黏结,从而保证强度的明显提升。但过长的球磨时间可能会导致原料颗粒过细,团聚增多,反而降低了强度。当细粉经2 h球磨混合时,试样中基质与骨料结合较为紧密,常温耐压强度最高。

全氧燃烧玻璃窑用耐火材料抗碱蒸气侵蚀性研究

邓丽娜, 易帅, 薛飞, 潘传才, 许谦, 蒋晨, 白雅宁

2024, (5): 440-444. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.014

摘要 ( ) PDF (3295KB)( )

采用坩埚法对全氧燃烧玻璃窑用优质硅砖、零膨胀硅砖、熔铸锆刚玉砖(AZS33)、α-β刚玉砖于1 600 ℃保温24 h进行了抗碱蒸气侵蚀性对比试验,并对侵蚀后试样进行了显微结构分析。结果表明:1)优质硅砖和零膨胀硅砖显气孔率较高,在高温碱蒸气条件下,硅砖中的钙硅氧化物和玻璃相不断析出滴落,持续溶解SiO₂颗粒,抗碱蒸气侵蚀性差;2)熔铸锆刚玉砖在碱蒸气的作用下,产生较多的玻璃相,玻璃相滴落后留下气孔,但熔铸锆刚玉砖显气孔率低,碱蒸气侵蚀渗透慢,抗碱蒸气侵蚀性优良;3)α-β刚玉砖的玻璃相含量低,显气孔率低,碱蒸气侵蚀后骨架结构保持完整,抗碱蒸气侵蚀性更优;4)4种砖抗碱蒸气侵蚀性能的优劣顺序为:α-β刚玉砖>熔铸锆刚玉砖>零膨胀硅砖>优质硅砖。

基于TRIZ理论解决氧化锆陶瓷制品烧成中的污染问题

王江涛, 刘广华, 赵世贤, 邱海峰

2024, (5): 445-447. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.015

摘要 ( ) PDF (897KB)( )

运用TRIZ理论对氧化锆陶瓷制品被炉膛内气氛污染这一问题进行因果链分析,确定了关键问题点,并运用TRIZ工具进行指导,确定了最优创新方案:当炉膛温度在1 155 ℃以下时用增氧泵向炉膛内通入富含氧气的空气;当炉温在1 155 ℃以上时,关闭增氧泵,减少炉膛内氧气的含量。同时采用复合材料制成密闭匣钵,将氧化锆陶瓷制品放于其中,用以分离炉膛内MoO₃污染气氛和氧化锆陶瓷制品。

耐火材料生命周期评价及生命周期成本评价研究进展

李凤, 张利芳, 魏恒勇, 卜景龙, 张国繁

2024, (5): 448-453. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.016

摘要 ( ) PDF (1038KB)( )

生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)和生命周期成本评价(Life Cycle Cost Assessment,LCCA)方法,是耐火材料企业实现“绿色化”发展的有效工具。综述了国内外耐火材料LCA及LCCA的研究进展,分析了耐火制品全生命周期中环境影响和环境成本的量化评估结果,识别了其主要环境污染物种类及来源,确认了耐火材料生产的环境特性和关键环节,以展示该领域的研究现状并揭示未来的研究方向。

浸入式水口结瘤机制及优化措施

杜金吉, 陈玉娥, 左小坦, 赵立,任博, 王恩会, 侯新梅

2024, (5): 454-460. doi：10.3969/j.issn.1001-1935.2024.05.017

摘要 ( ) PDF (1878KB)( )

在钢铁实际生产过程中,浸入式水口结瘤会对结晶器流场的稳定性产生严重影响。这种现象不仅影响了连铸过程的顺利进行,还可能导致结瘤物剥落,从而降低铸坯质量。阐述了浸入式水口结瘤机制的研究现状,从优化水口结构、优化水口材质、提高钢液洁净度以及施加外部电场共4个方面总结了防止浸入式水口结瘤的措施,并对浸入式水口防结瘤未来的研究方向进行了展望。

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