关键词： CA2-CA6   轻量化   复合耐火材料   烧结工艺  

摘要： 为了适应耐火材料轻量化、经济化以及功能化的发展需要,以82%(w)Al2O3、18%(w)CaO化学组成配比计的铝土矿和石灰石矿为原料,采用二步烧结法,在1200℃保温2 h一步预烧,而后在1600~1650℃保温2 h进行二步煅烧制备了致密CA2-CA6耐火复合材料。结果表明:经1200℃预烧后,在1650℃温度条件下保温2 h烧结,可制备出显气孔率为4.9%,体积密度为2.81 g·cm-3,常温耐压强度为231 MPa,主晶相四棱柱结构的CA2晶粒与板状结构的CA6交错穿插分布,结构良好的CA2-CA6复合材料,可满足钢铁冶金工业使用要求。

关键词： Al4SiC4   AlN/SiC结合碳复合耐火材料   表征   物理性能   化学稳定性  

摘要： 氧化物-碳复合耐火材料因含石墨而具有优良的耐侵蚀性和热震稳定性,被广泛应用于冶金工业的高温系统。随着冶炼技术的不断发展,碳复合耐火材料向低碳化发展,出现了低碳化与热震稳定性和抗渣渗透性协同提升的矛盾。AlN/Si C复合材料以其优异的力学性能、耐高温、耐侵蚀等特点在电子领域和高温陶瓷领域引起了极大的关注。将AlN/SiC与碳材料结合制备复合非氧化物结合碳耐火材料希望得到性能优异的功能复合耐火材料,以满足现代高温工业的实际应用需求。制备传统复合材料多将原料机械混合后进行高温烧结,制备材料内物相的分散性及均匀性不易控制,导致材料性能调控困难。本文研发一种以三元碳化物Al4SiC4为原料,在氮气气压烧结（Gas Pressure Sintering）工艺下,原位制备AlN/SiC结合碳复合耐火材料的新方法。研究不同气压条件下制备AlN/SiC结合碳复合耐火材料的制备机理,探讨烧结温度、保温时间和烧结助剂Y2O3对Al4SiC4原位制备AlN/SiC结合碳复合耐火材料的物相组成、微观结构变化以及物理性能和化学稳定性的影响。（1）在1700℃不同氮气气压条件下热处理Al4SiC4坯体2h,原位制备AlN/SiC结合碳复合耐火材料。高温下增加氮气压力可有效促进Al4SiC4的分解,导致体系内Al蒸汽的饱和蒸气压急剧增加而形成大量颗粒状AlN。同时由于体系内各物相的蒸发和扩散传质速率不同,采用气压烧结法（GPS）不仅能够促进氮化,还可提高传质速率和反应进程,在2MPa氮气条件下制得AlN/SiC陶瓷相包裹C相的蜂窝状结构复合材料。（2）采用Al4SiC4原料,经过2MPa氮气条件、不同热处理温度原位制备AlN/SiC结合碳复合耐火材料,制备的材料中碳为蠕虫状石墨。随着热处理温度的升高,烧结更加致密,结晶性更好。根据最小二乘法计算晶格常数对比发现,在1900℃时AlN与SiC发生固溶反应得到Si3Al4N4C3固溶相,复合材料的体积密度、弹性模量和导热性等性能得到提升。（3）对不同温度热处理后材料化学稳定性研究发现,AlN/SiC结合碳复合耐火材料表现出优异的化学稳定性;同时随着热处理温度的升高,抗水化性、抗氧化性以及抗侵蚀性均升高。（4）研究添加Y2O3对原位制备AlN/SiC结合碳复合耐火材料的影响,发现添加Y2O3并不能促进AlN与Si C固溶,同时由于生成的低共熔点的液相包裹作用,反而促进Al4SiC4烧结,抑制了氮化反应进行。随着Y2O3添加量增加,还会破坏陶瓷相结合碳的蜂窝结构。当Y2O3添加量较少时,虽然会阻碍部分Al4SiC4的氮化,但体系内形成的少量液相改善了材料的致密性,材料的体积密度、弹性模量及弯曲强度等性能得到提高。在此基础上增加保温时间,发现Al4SiC4虽然得到完全氮化,但是Al N与SiC依然没有发生固溶反应,反而获得Al-C-N系三元碳化物,导致材料抗氧化性和抗侵蚀性降低。影响AlN与SiC固溶反应的最主要动力学因素是温度。

关键词： 低碳耐火材料   塞棒   C/MgAl2O4复合粉   镁铝尖晶石  

摘要： 镁铝尖晶石-碳复合耐火材料因具有优异的抗热震性能和抗渣侵蚀性能适用于高锰钢等特殊钢种连铸“三大件”渣线及整体塞棒棒头。随着钢铁冶金等行业趋向于高效化和洁净化,对连铸用整体塞棒的抗渣侵蚀性能和抗热震性能提出了更高的要求。发展低碳塞棒不仅对钢铁冶金行业提质增效、资源环境保护具有现实意义,而且是提升塞棒的抗冲刷性能,延长使用寿命的重要途径。低碳耐火材料因其直接降低了传统含碳耐火材料中鳞片石墨的加入量,使得耐火材料的抗热震性能以及抗渣侵蚀性能降低。目前,研究者们除了通过调整不同抗氧化剂的含量和粒径实现低碳耐火材料性能的优化外,主要从添加剂的复合化和纳米碳源的引入两个方面探究低碳耐火材料微观结构演变,在提高低碳含碳耐火材料的抗氧化性能同时,协同提高其抗渣侵蚀性能和力学性能。尽管纳米碳对改善低碳耐火材料抗热震性效果明显,但是存在难分散、成本高、易氧化的瓶颈问题。制备含碳复合粉体,并应用于含碳耐火材料,有望解决上述问题。本论文首先研究石墨含量对尖晶石-碳耐火材料性能的影响,然后以惰性气氛保护烧结法制备了碳/镁铝尖晶石复合粉（C/MgAl2O4）,研究了C/MgAl2O4对低碳尖晶石-碳（MgAl2O4-C）耐火材料性能的影响。并对添加复合粉整体塞棒棒头用后残样进行了微观分析。主要结论如下:（1）随着石墨掺入量的逐渐降低,MgAl2O4-C耐火材料的抗热震性能以及抗氧化性能先增大后降低。当石墨的掺入量为6wt.%时,MgAl2O4-C耐火材料的残余强度保持率为40%,相比掺入10wt.%石墨的试样提升了24%。而且当石墨的掺入量为6wt.%时,试样的高温抗折强度和常温耐压强度都得到了不同提升,这是因为当石墨的掺入量进行调整时,鳞片石墨填充试样内部孔隙的程度也会发生变化,进而影响试样的显气孔率和体积密度。此外,因为鳞片石墨与镁铝尖晶石热膨胀系数的差异,过多的鳞片石墨会导致试样内部微裂纹的产生,破坏试样的力学性能。（2）C/MgAl2O4复合粉的添加不同程度上提高了低碳MgAl2O4-C耐火材料的力学性能和使用性能。主要是因为粒度分布比较宽的C/MgAl2O4复合粉的加入,不仅降低了尖晶石-碳试样的显气孔率,增加试样的强度。而且良好的抗氧化性能以及受复合粉团簇结构保护的纳米碳提升了试样的抗热震性能和抗渣侵蚀性能。（3）发展了C/MgAl2O4复合粉的规模化制备技术,并加入连铸整体塞棒棒头中,可以有效提高塞棒棒头的抗渣侵蚀性能。微观分析表明,C/MgAl2O4复合粉在棒头基质中均匀分布,形成网络状形态对钢渣进行捕获,将钢渣固溶成独立的高粘度圆形区域,限制钢渣进一步渗透棒头。此外,分布更加均匀的纳米碳也提高了棒头对钢渣的不润湿性,提高了整体塞棒棒头的抗渣侵蚀性能。

关键词： MgO-ZrO2   TiO2   CeO2   力学性能   抗热震性  

摘要： 耐火材料的质量与精炼工艺的发展有着密切的关系,它们相互依托,共同发展,耐火材料的质量和品种对精炼工艺的发展具有重要意义。钢包透气元件的性能和质量对钢包精炼工艺的高效运行有着重要意义。现行钢包透气元件多为刚玉质和刚玉-尖晶石质耐火材料,使用过程中易发生堵塞和损毁等问题,且已开发的镁质透气元件抗热震性较差,这极大的影响了生产效率和成本。因此本文通过研究MgO-ZrO2质耐火材料的性能,期望达到改善镁质透气元件的抗热震性能的效果,从而提高其使用寿命。本文以轻烧氧化镁和单斜氧化锆为原料,制备了 MgO-ZrO2质耐火材料,研究了氧化锆加入量、烧结温度和添加剂加入对MgO-ZrO2质耐火材料烧结性能、力学性能、抗热震性能和抗渣侵蚀性能影响的规律和作用机制。通过上述研究,得出以下结论:（1）烧结温度和ZrO2加入量对MgO-ZrO2质耐火材料的性能具有显著影响。随着烧结温度的升高,MgO-ZrO2质耐火材料的体积密度逐渐增大,显气孔率明显降低,试样的相对密度逐渐增大。当试样在1600℃下烧结2h时,MgO-ZrO2质耐火材料获得良好的致密度。经过1600℃烧结2h的烧结性能最好,其中当ZrO2的加入量为15%时,MgO-ZrO2质耐火材料性能最佳,其体积密度为3.39 g·cm-3,显气孔率为5.51%,相对密度为88.91%,常温耐压强度为205 MPa,同时具有良好的抗热震性能和抗渣侵蚀性能。在1600℃下烧结2h时,随着ZrO2的加入量的增加,MgO-ZrO2质耐火材料中的ZrO2分布得更加均匀,结构致密。随着ZrO2加入量的增加,熔渣侵蚀深度显著降低,抗渣侵蚀性能提高。（2）CeO2的加入对MgO-ZrO2质耐火材料致密度和抗热震性能具有显著影响。CeO2的添加提高了 MgO-ZrO2质耐火材料的致密度,使其显气孔率降低,体积密度增大,相对密度增大。其中,ZrO2加入量为20%和CeO2加入量2%的MgO-ZrO2质耐火材料的性能最优,其体积密度为3.54 ***-3,显气孔率为3.64%,相对密度为90.02%,常温耐压强度最高为269 MPa,同时具有良好的抗热震性能和抗渣侵蚀性能。CeO2一方面促进MgO晶粒的烧结,另一方面稳定试样中ZrO2。随着CeO2加入量的增加,MgO-ZrO2质耐火材料中ZrO2的物相发生了转变,当CeO2加入量为1%时为c-ZrO2,当CeO2加入量为2%时,ZrO2的物相为t-ZrO2。同时CeO2的加入提高MgO-ZrO2质耐火材料的常温耐压强度、抗热震性和抗渣侵蚀性能。（3）TiO2的加入显著提高了 MgO-ZrO2质耐火材料致密度,使MgO-ZrO2质耐火材料的显气孔率显著降低,体积密度增大,相对密度增大。同时,TiO2提高了MgO-ZrO2质耐火材料的常温耐压强度、抗热震性和抗渣侵蚀性能。其中ZrO2加入量为10%和TiO2加入量1%的MgO-ZrO2质耐火材料具有优良的综合性能,其体积密度为3.58 g·cm-3,显气孔率为1.01%,相对密度为95.75%,常温耐压强度最高,为325 MPa,同时具有良好的抗热震性能和抗渣侵蚀性能。TiO2的加入使得MgO-ZrO2质耐火材料显微结构紧密,试样中的硅酸盐相明显减少,硅酸盐相和钛酸钙相以弧岛状存在于颗粒间的空隙中,从而提高了 MgO-ZrO2质耐火材料的性能。

关键词： 催化剂   镁碳耐火材料   性能   物相   显微结构  

摘要： 以电熔镁砂、鳞片石墨、负载前驱体(硝酸铁)的硅粉为主要原料,通过高温氮化、原位催化制备Si3N4复合MgO-C耐火材料,研究了催化剂加入量和氮化温度对MgO-C耐火材料显微结构和性能的影响。结果表明:与不加催化剂的试样相比,适量催化剂的加入可促进材料内部陶瓷相(Mg2SiO4和β-Si3N4等)的生长,过量催化剂的加入反而抑制柱状β-Si3N4的生成,降低材料的强度;氮化温度升至1500℃时,β-Si3N4晶粒长大,试样内部产生大量的气孔,降低材料的力学性能。

关键词： C/MgAl2O4复合粉   抗热震性能   低碳耐火材料   燃烧合成法   埋碳烧结法  

摘要： 含碳耐火材料具有优良的热震稳定性和抗渣侵蚀性,广泛应用于碱性氧气转炉、电弧炉、钢包、滑板、连铸“三大件”等钢铁冶金设备。为满足钢铁冶金节能环保、洁净钢冶炼等新生产技术的要求,低碳耐火材料（碳含量低于8 wt.%）甚至超低碳耐火材料（碳含量低于3 wt.%）的发展具有重要意义。然而,直接减少鳞片石墨在传统含碳耐火材料中的添加量,会导致材料韧性降低、恶化其抗热震性及抗渣侵蚀性能。目前人们已经开始将纳米碳源引入到低碳耐火材料中,在降低耐火材料中碳含量的同时,优化材料的性能。但是,纳米碳存在制备工艺复杂、成本高、易团聚、易氧化等问题,限制了其在含碳耐火材料中的工业应用。针对上述存在的问题,本论文以燃烧合成和埋碳烧结两种方法制备了原位碳/镁铝尖晶石（C/Mg Al2O4）复合粉,揭示原位碳在镁铝尖晶石中原位生成机理,分别研究了C/Mg Al2O4复合粉对低碳Mg O-C和Al2O3-C耐火材料性能的影响。主要结论如下:（1）以过氧化镁（Mg O2）、Al2O3和Al为原料,采用燃烧合成法制备镁铝尖晶石;发现当原料Mg O2、Al2O3和Al粉的摩尔比为1:0.95:4.66时,燃烧合成产物镁铝尖晶石具有较高的纯度。以Mg C2O4部分替代Mg O2,燃烧合成C/Mg Al2O4复合粉,结果表明燃烧波自持前提下,Mg C2O4的最大替代量是34.34 wt.%,所制备的复合粉中镁铝尖晶石具有颗粒状及棒状两种形貌,碳含量为1.17 wt.%。与不含催化剂的试样相比,添加Fe C2O4催化剂得到的C/Mg Al2O4复合粉中碳的石墨化程度提高,当催化剂的添加量为0.5 wt.%时,扫描电镜结果表明薄片状碳嵌于镁铝尖晶石晶粒间。（2）以柠檬酸镁和氧化铝为原料,埋碳烧结法制备C/Mg Al2O4复合粉,产物中碳含量为8.11 wt.%,镁铝尖晶石晶粒间存在多层石墨烯结构的自由碳。采用XRD、Raman、FTIR-TG联用手段对柠檬酸镁热解产生的气相、固相产物进行表征。结果表明,柠檬酸镁在400℃左右分解产生衣康酸镁,约500℃时自由碳开始生成,热解产生H2O、CO2、CO和CH4等气体。C/Mg Al2O4复合粉中的自由碳主要来源有两种:中间产物衣康酸镁的直接碳化;气相产物CH4的热解。基于差热分析与非等温动力学法,计算得到埋碳烧结法制备的C/Mg Al2O4复合粉的氧化活化能为161.96k J/mol,高于炭黑/镁铝尖晶石机械混合粉体的氧化活化能（117.06k J/mol）,表明埋碳烧结法制备的C/Mg Al2O4复合粉具有更强的抗氧化性能。（3）随着C/Mg Al2O4复合粉添加量（0 wt.%,3 wt.%,6 wt.%,9 wt.%）的增加,低碳Mg O-C耐火材料体积密度先增大后降低。C/Mg Al2O4复合粉的添加量为3 wt.%时,Mg O-C耐火试样的残余强度保持率为47.47%,比不添加复合粉的试样提高了28.5%,比添加3 wt.%炭黑/尖晶石粉体的试样提高了8.08%。C/Mg Al2O4复合粉的添加有利于Mg O-C试样抗热震性能的提高,主要是因为C/Mg Al2O4复合粉独特的团簇结构,使得裂纹在扩展过程中发生多次偏转,消耗应变能,提高抗热震性能;又因为团簇中多层石墨烯得到有效保护,使得Mg O-C耐火材料抗氧化性能得到改善。（4）C/Mg Al2O4复合粉的添加提高了低碳Al2O3-C耐火材料的抗热震性能。主要是因为裂纹在C/Mg Al2O4复合粉的团簇结构内部形成许多分支,消耗更多的应变能和热应力;并且,C/Mg Al2O4复合粉的添加促进了材料中短纤维状陶瓷相的生成,在材料内部起到桥连作用,增加材料的韧性。此外,C/Mg Al2O4复合粉的添加还改善了低碳Al2O3-C耐火材料的抗渣侵蚀性能。

关键词： 氮化硅铁   刚玉   耐火材料   AlON   SiAlON  

摘要： 本文研究了氮化硅铁(Fe3Si-Si3N4)-刚玉复合耐火材料的结构与性能,系统地研究了 Fe3Si-Si3N4-A12O3体系中的物相、结构演变与反应机理,研究了其中高性能非氧化增强相A1ON、β-SiAlON、15R-SiA1ON的形成与增强机理,并探索了氮化硅铁-刚玉复合耐火材料的高温应用可能性与工业化推广的可行性。对氮化硅铁原料的研究表明,高温条件下氮化硅铁稳定性降低。在1500-1600 ℃流动氮气气氛中,氮化硅铁中的主要物相Fe3Si与Si3N4相互作用,Fe3Si导致Si3N4稳定性下降,Si3N4在Fe-Si液相中反复分解-氮化,伴随着Fe3Si的液相烧结效果,氮化硅铁的强度可提高364 MPa。当存在碳源时,Fe3Si促进CO沉积为C,游离C与Si3N4分解出的单质Si反应,迅速形成小颗粒状的SiC,导致强度大幅下降;同时Fe3Si的液相烧结作用被削弱,导致材料失去强度。研究了树脂结合刚玉耐火材料作为基础材料的高温行为,结果表明:在1500-1800 ℃下,来自树脂结合剂的少量树脂残碳A1203发生碳热还原氮化反应,原位形成AlON增强相。随着温度升高,A1ON物相为21R-AlON、γ-AlON、φ'-A1ON,分别呈片状、八面体尖晶石状以及排列有序的针状,可显著改善显微结构,使得刚玉耐火材料的显气孔率为15-18%,体积密度为3.11-3.18 g/cm3,强度达到107-491 MPa。在树脂结合刚玉耐火材料中添加5 wt%氮化硅铁时,可在1500-1800 ℃内在氮化硅铁-刚玉耐火材料中稳定地合成15R-SiAlON增强相。在烧结过程中,树脂残碳与A1203碳热还原氮化反应,原位形成了 A1ON中间相;在含Si物相的作用下,AlON转化为15R-SiAlON;所形成的15R-SiA1ON具有与AlON相同的形貌特征,可增强结构。Fe3Si合金可促进15R-SiAlON的形成,并促进液相烧结。15R-SiA1ON结合刚玉耐火材料具有18-20%的显气孔率,3.05-3.15 g/cm3的体积密度,138-393 MPa的常温耐压强度。系统研究了氮化硅铁含量与烧结温度对于Fe3Si-Si3N4-A12O3体系的影响。在树脂结合刚玉基体耐火材料中添加10wt%、15 wt%、20wt%、25 wt%的氮化硅铁,在1500-1800 ℃氮化烧结时,结果表明:材料的物相、结构、性能与反应机理都与氮化硅铁(5 wt%)-刚玉耐火材料不同。当氮化硅铁含量为10-15 wt%时,Si3N4→SiC的转化过程非常迅速,抑制了 Si3N4→β-SiAlON过程;当氮化硅铁含量为20-25 wt%时,试样中形成较多的SiAlON。SiC的优先形成消耗了体系中有限的碳源,抑制A1203与树脂残碳作用形成AlON的反应,体系中主要形成β-SiA1ON,只有氮化硅铁含量为20-25 wt%的试样在1700-1800℃烧结时才形成15R-SiA1ON。随着温度的升高,非氧化物发生Si3N4→β-SiAlON→15R-SiA1ON的转化,并且SiAlON含量增多。氮化硅铁含量和烧结温度的同时增加,可提高Fe3Si液相对于A1203大颗粒渗透性与反应性,促进AlON的形成,从而促进15R-SiAlON的形成;同时可促进A120(g)、Al(g)、SiO(g)、Si(g)气相的形成,使得复合材料中发生气-气反应,形成晶须状的15R-SiAlON。通过调节原料配比与烧结温度,可控制氮化硅铁-刚玉复合耐火材料的物相组成与显微结构。研究了氮化硅铁-刚玉复合耐火材料在1300 ℃和0.2 MPa下50 h内的高温蠕变行为,结果表明:在刚玉耐火材料中添加氮化硅铁,可明显改善刚玉耐火材料的高温抗蠕变性能,尤其是添加15 wt%氮化硅铁可使得复合耐火材料几乎不发生形变。在蠕变测试过程中,Fe3Si促进Si3N4柱表面和A1203颗粒表面原位形成颗粒状的O'-SiAlON;同时Fe3Si可促进β-Si3N4六棱柱的继续生长,可有效抵抗压应力导致的收缩。探究了氮化硅铁-刚玉复合耐火材料在1300 ℃温度下空气气氛中的抗氧化性能,结果表明:在3个小时氧化后,氮化硅铁-刚玉复合耐火材料表面形成了厚度为2.4-4.6mm的致密氧化层。表面的致密氧化层可保护材料内部的非氧化物相Fe3Si与Si3N4不受氧化。氮化硅铁-刚玉复合耐火材料具有优良的抗氧化性能。在工业用氮化窑炉中试制了氮化硅铁-刚玉复合滑板,并进行了试用。结果表明:在1300 ℃制备的氮化硅铁-刚玉复合滑板,具有优良的性能,其使用次数为3-4次,效果良好,具备较好的经济效益,是一种环境友好型的新型滑板,具有工业化推广的可行性与价值。

关键词： 燃烧合成法   含AlB2复合粉   溶解-析出机理   AlB2纳米线   抗氧化性能  

摘要： 含碳耐火材料因具有较高抗熔渣侵蚀性和热震稳定性而被广泛应用于转炉、钢包、电炉、AOD炉及连铸等炼钢装备。但含碳耐火材料在使用过程中存在向钢液增碳、散热量大导致炉壳变形、消耗较多鳞片石墨资源等问题,因此高性能低碳耐火材料的研发对钢铁冶金企业提质增效、绿色生产具有重要意义。高性能防氧化剂的制备与应用是低碳耐火材料领域的重要研究热点之一。本论文利用燃烧合成法低成本制备含AlB复合粉,并研究其对低碳耐火材料抗氧化性能的影响。论文主要的研究内容以及取得的研究结果如下:(1)分别计算了Al-BO、Al-KBF及Al-NaBO体系的绝热温度,在初始温度为298 K时,上述三个体系绝热温度分别为2553 K、1891 K及1586 K,根据Mozhanov判据(1800 K),Al-BO体系和Al-KBF体系初始温度为298 K时,燃烧波能够以自持方式传播,而Al-NaBO体系需要初始温度高于623 K时,燃烧波才能够以自持方式传播。Al-KBF体系燃烧产物有六方柱状的AlB和具有四方棱柱和中空的针状树叶型两种形貌的KAlF,且AlB的生成量为5 wt%;Al-NaBO体系燃烧产物由六方柱体的AlB、四方棱柱体的α-AlO、针棒状NaAlO和NaAlO及未反应完全的球形颗粒Al组成,AlB的生成量为5 wt%。Al-BO体系燃烧产物有六方柱体的AlB、四方棱柱体的α-AlO及未反应完全的球形颗粒Al。在Al-BO、Al-KBF及Al-NaBO体系中,Al-BO体系燃烧合成的AlB生成量最高(9 wt%),因此,确定本研究燃烧合成含AlB复合粉的最佳硼源为BO。(2)对Al-BO体系燃烧合成产物进行物相组成和微观形貌分析,结合TG-DSC曲线和XPS结果,分析了该体系燃烧合成过程,提出了Al-BO体系燃烧合成含AlB复合粉的反应机理为溶解-析出机理,即Al和BO随温度升高相继熔化,生成Al熔液-BO熔液,温度为800℃时,Al和BO反应生成AlO熔体和单质B,并释放出热量,使温度升高,在温度下降过程中AlO逐渐从Al熔液-AlO熔液中析出,而溶解在Al熔液中的单质B与Al熔液发生反应生成AlB,在高冷却速率下AlB在包晶转化温度下转化为AlB。(3)研究了Al-Mg、Al-Si及Al-La三种合金种类及掺量对Al-BO体系燃烧合成含AlB复合粉体的绝热温度、产物物相组成及显微结构的影响。合金的加入降低了体系的绝热温度,且随着合金掺量的增加,绝热温度下降程度增大。加入Al-Si合金和Al-La合金后,产物中AlB的衍射峰强都明显降低,且分别出现了SiO和LaB相,而加入Al-Mg合金后,产物中除了六方柱状的AlB,还出现了AlB纳米线,α-AlO和AlB的衍射峰与AlB纳米线的生成量都随Al-Mg合金掺量先增加后降低,说明Al-Mg合金对Al-BO燃烧合成含AlB复合粉体的促进作用最佳,且最佳掺量为12 wt%。(4)进一步研究了Al-Mg合金掺量对燃烧合成含AlB复合粉中AlB纳米结构的影响,并探讨了复合粉中AlB纳米线的合成机理。随着Al-Mg合金掺量的增加,产物中AlB和α-AlO的量先增加后减少,而Al的量先减少后增加。且AlB纳米线的生成量依赖于Al-Mg合金的掺量,当Al-Mg合金掺量为12 wt%时,AlB纳米线的生成量达到最高,且复合粉中AlB生成量为12 wt%。燃烧合成过程中生成的气相Al-Mg、AlO、AlO及BO彼此反应并沉积到固相B单质上生成AlB纳米线,其生长过程是由气固生长机理模型控制。(5)将AlB-Al-AlO复合粉、Al粉及Al/Si复合粉分别作为低碳镁碳砖和低碳铝碳砖的防氧化剂,对它们的防氧化效果进行对比,并揭示了AlB-Al-AlO复合粉的抗氧化机理。结果发现掺AlB-Al-AlO复合粉的低碳镁碳砖和低碳铝碳砖抗氧化性能最优,且具有优异的常温力学性能和高温力学性能。含AlB-Al-AlO复合粉低碳镁碳砖和低碳铝碳砖试样的氧化区分别形成了熔点为1360℃的MgBO相和熔点为1033℃的AlBO相,1400℃为熔体;而Al/Si、Al抗氧化剂氧化产物为MgAlO、MgSiO、AlC及AlSiO,在1400℃不能熔化,因此AlB-Al-AlO填充气孔、阻塞气体通道的效果优于Al/Si和Al抗氧化剂。说明AlB-Al-AlO复合粉是一种潜在的高性能、低成本低碳耐火材料防氧化剂。

关键词： 燃烧合成   低碳镁碳耐火材料   碳化硼  

摘要： 镁碳耐火材料由于良好的抗热震性和抗渣性被广泛地用作冶金工业的RH真空精炼炉、碱性氧气炉、钢包等设备的内衬特别是渣线材料。传统的镁碳耐火材料含有7-20wt%的石墨,然而石墨含量高导致石墨被氧化后耐火材料气孔增多、高能耗、钢水增碳等问题。因此,开发与传统镁碳耐火材料性能相当的低碳镁碳耐火材料成为发展的方向。国内外研究表明使用高比表面积的纳米碳如碳纳米管、炭黑、氧化石墨片部分代替鳞片石墨可以在降低镁碳耐火材料碳含量的同时提高其性能,但是单独纳米碳加入耐火材料过程中易团聚且使用过程中易氧化影响其性能发挥。为了解决纳米碳易氧化和难分散的问题,同时结合碳化硼优异的抗氧化性,本课题通过绿色、快速的燃烧合成法一步制备含碳化硼和纳米炭黑的复合粉体,并研究复合粉体对耐火材料性能的影响。主要工作为:(1)以镁粉为还原剂,通过燃烧合成、酸洗、水洗制备碳化硼粉体,研究不同形貌的碳源对产物的影响。结果表明,炭黑、活性炭纤维与碳纳米管、膨胀石墨、鳞片石墨相比,更有利于碳化硼粉体的合成,产物中残余碳较少。(2)使用活性炭纤维为碳源和纤维模板,镁粉为还原剂,研究燃烧合成的最佳工艺参数及对产物形貌的影响。结果表明,活性炭纤维的最佳长度为150-200um、试样最佳成型压力为2MPa。此时可以得到部分纤维状的碳化硼但纤维表面粗糙、结构疏松,产物中大部分仍为粒径较小的碳化硼颗粒。(3)以炭黑为碳源,分别使用镁粉和铝粉为还原剂,成型压力为2MPa,通过燃烧合成法制备BC/Mg O/C和BC/AlO/C复合粉体。结果表明,镁热法产物中除了BC、Mg O和C外还有少量杂质相Mg(BO),铝热法产物只有BC、AlO和C。(4)BC/AlO/C复合粉的微观形貌为许多小颗粒团聚成的大颗粒,形貌规则的BC颗粒镶嵌在AlO中,纳米炭黑颗粒均匀地分布在产物中。同时燃烧合成的BC/AlO/C复合粉体比具有相同理论配比的机械混合的BC/AlO/C复合粉体有更好的抗氧化性。(5)研究了燃烧合成的BC/AlO/C复合粉体对低碳镁碳耐火材料性能的影响。结果表明,与不添加复合粉以及添加机械混合的BC/AlO/C复合粉的低碳镁碳耐火材料对比,合成的BC/AlO/C复合粉对耐火材料体积密度影响不大,显气孔率分别降低14.1%、8.4%,脱碳层厚度分别减少了22.4%、10.2%,侵蚀深度分别减少了27.9%、12.0%,强度保持率分别增加了17.2%、15.8%。

关键词： 耐火材料   氧化镁   纳米二氧化钛(η-TiO2)   二次相   密度  

摘要： 研究了一种含0～8%纳米二氧化钛(η-TiO2)的烧结氧化镁基质的力学性能。采用X射线衍射(XRD)和配备能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)分别对在1 500℃电炉中烧结4h的耐火材料试样的结晶相和微观结构特征进行表征。物理性能由密度和孔隙率来描述。通过常温耐压强度(CCS)试验评估其力学性能。结果发现,氧化镁基质中存在纳米二氧化钛可以诱导钛酸盐(Mg2TiO4和CaTiO3)的形成,从而改善烧结过程。纳米二氧化钛也产生了晶间二次相结构的细晶粒子,这种粒子保留在边界处并发挥定位作用。添加5%纳米二氧化钛有助于达到物理和力学性能的最大增量。