氢冶金用耐火材料体系综述与展望

为实现国家“碳达峰、碳中和”的目标,采用氢部分或完全取代化石能源作为铁矿石的还原剂是未来钢铁行业的发展方向,但不可忽视的是,与之配套的耐火材料的研究与开发已经明显滞后。本文基于前人的研究,对氧化物和非氧化物耐火材料在氢气中的反应进行综合论述,对氢冶金用耐火材料的相关问题进行了总结归纳,最后,对钢铁行业推广氢冶金技术用耐火材料进行了展望。

耐火材料热化学反应典型应用技术发展

高温工业的发展,与耐火材料的发展密切相关,其技术进步无一例外地都依赖于优质耐火材料的研发。耐火材料在制备及应用过程中,都和热化学反应息息相关。本文首先简要介绍了耐火材料的发展历程,其次以二氧化硅质、莫来石质耐火材料为例,介绍了上述耐火材料制备中的热化学反应过程;以莫来石-碳化硅、方镁石-尖晶石、镁碳质耐火材料为例,介绍了上述耐火材料在服役过程中的热化学侵蚀反应行为,并给出了热化学模拟在耐火材料与熔渣/气相反应中的应用情况;以氧化铝-碳质过滤器为例,介绍了其应用过程中的吸附夹杂机理。最后介绍了常用的耐火材料煅烧设备。

耐火材料标准化工程应用型人才培养模式探索与实践

标准化是材料产业提质增效的重要措施,标准化工程应用型人才稀缺是制约材料行业标准化工作推进的主要原因。本文基于耐火材料行业发展趋势及武汉科技大学在耐火材料行业中的特殊地位,分析了我国标准化工程应用型人才培养现状,结合新发展形势下耐火材料行业对标准化人才的需求,从课程体系设计、实践平台建设及师资队伍培养等方面探索标准化工程应用型人才培养模式,以实现耐火材料专业教学与标准化教育的有机融合,为标准化促进耐火材料行业发展提供强大支撑。

耐火材料高温力学性能综合测定仪的研制及实验教学应用

为了开展耐火材料高温力学性能的综合性实验教学,提升耐火材料高温力学性能实验教学效果,通过集成不同加载和加热技术、设计开放炉体结构、开发友好测控系统,研制了耐火材料高温力学性能综合测定仪。该仪器加热速率高达200℃·min^(-1),最高试验温度达1800℃,可实现高温耐压强度、高温抗拉强度和高温抗扭强度等高温力学参数的一站式测定。实验教学应用表明:该设备以其教学过程可视化、结果展示形象化和功能集成化等特点,显著调动了学生动手实践和思考问题的积极性,强化了学生理论知识的理解与掌握,实验教学效果提升明显。

FactSage热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性中的应用

商用热力学计算软件FactSage在耐火材料抗渣侵蚀性研究中起到重要作用,因此在耐火材料研究中应用越来越广泛。本文总结了近15年来热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性研究中的应用,重点介绍了耐火材料抗渣侵蚀研究中常用的热力学计算模型,分析了各种模型的原理、特点、适用情景、精确度与局限性,并给出了详细的运用实例。此外,本文介绍了热力学计算与其他方法相结合运用的实例,包含ANSYS、动力学分析、分子动力学模拟等方法,规避热力学计算的局限性,更加全面地分析熔渣对耐火材料的侵蚀行为。最后,本文对热力学计算存在的问题进行了归纳,并基于现有研究现状对其发展前景与方向进行了展望。

MgCl_(2)·6H_(2)O溶液对方镁石-镁铝尖晶石耐火材料性能的影响

以电熔镁砂和电熔镁铝尖晶石为原料,以18°Be’、24°Be’、30°Be’三种不同浓度的MgCl_(2)·6H_(2)O溶液和酚醛树脂为结合剂,制备方镁石-镁铝尖晶石耐火材料。以酚醛树脂为对照组,通过研究MgCl_(2)·6H_(2)O溶液对材料常温抗折强度、常温耐压强度、烧结性能、抗热震性能的影响,探明MgCl_(2)·6H_(2)O溶液对材料的作用机理。结果表明,在常温下MgCl_(2)·6H_(2)O溶液能与镁砂反应生成氯氧镁水泥(MOC),MOC在微观下表现为交错互锁的晶须结构,使得耐火材料在干燥后具有非常高的机械强度。当热处理温度为1 700℃、溶液浓度为24°Be’时,材料的常温耐压强度达到79.1 MPa,相较于酚醛树脂提高了58.2%;当热处理温度为1 700℃、溶液浓度为18°Be’时,材料的显气孔率达到16.8%,相较于酚醛树脂降低了13.4%。MgCl_(2)·6H_(2)O溶液浓度的增加有利于提高材料的断裂韧性。MOC和Mg(OH)_(2)在烧成过程中会分解产生活性MgO,促进材料的烧结。此外,分解产生的活性MgO呈类球状,它们分散填充在镁砂颗粒内部裂隙处,形成微孔结构,有利于减缓热震时的热应力冲击。

混料工艺对铝锆碳耐火材料生坯性能的影响

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-Al_(2)O_(3)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。

烧成温度对钙长石隔热耐火材料显微结构与性能的影响

本工作以矾土水泥与黏土为原料,采用发泡法制备了钙长石隔热耐火材料,通过XRD、SEM和导热仪等分析了烧成温度(1110~1310℃)对钙长石隔热耐火材料显微结构与性能的影响,并研究了该种钙长石隔热耐火材料的合成机理。结果表明:当烧成温度为1110~1160℃时,体系内开始生成钙长石,但原料微颗粒间的反应并不完全,生成的液相含量较少,强度较低;当烧成温度为1210~1260℃时,液相含量增多,钙长石的生成速度加快,强度增大,试样具有较低导热系数;当烧成温度为1310℃时,液相含量迅速增多,线收缩率迅速增大,试样具有较大强度,但体积密度大幅增长,气孔率降低。在1260℃时,制得了体积密度为0.53 g/cm^(3)、气孔率为82.6%、抗折强度为1.15 MPa、耐压强度为1.99 MPa、800℃导热系数为0.101 W/(m·K)的钙长石隔热耐火材料。

模拟氢基竖炉工况条件下铝硅质耐火材料的结构与性能演变

基于H_(2)/CO混合气强还原服役环境,本工作模拟常压氢基竖炉服役工况,研究典型的铝硅质耐火材料经还原处理后性能变化规律及失稳机制。结果表明,在V(H_(2))∶V(CO)=5∶2的条件下,热处理温度由450℃升高至950℃,混合气体对铝硅质耐火材料的还原能力逐渐增强。现有条件下,铝硅质耐火材料失稳的两个关键因素在于Fe_(2)O_(3)含量以及磷酸盐结合剂:1)当铝硅质耐火材料中Fe_(2)O_(3)含量较高时,在H_(2)/CO气氛下,Fe_(2)O_(3)极易被还原为单质铁。同时,这种情况会导致铝硅质耐火材料发生一定程度的体积变化和显著的力学性能下降。2)磷酸盐结合铝硅质耐火材料也面临磷酸盐挥发,导致显气孔率提高,结构稳定性降低。然而,研究还发现磷酸盐结合刚玉-莫来石砖中Fe_(2)O_(3)含量较低且伴生一定含量的TiO_(2)时,材料具有较好的抗H_(2)/CO气还原能力。通过比较铝硅质耐火材料在CO气氛和H_(2)/CO气氛下力学性能,发现V(H_(2))∶V(CO)=5∶2气氛下在850℃热处理3 h比CO气氛下500℃热处理100 h具有更强的还原能力。

不同碱性耐火材料的抗渣性研究进展

碱性耐火材料常被用于冶金设备的内衬。然而,由于工作环境严苛,耐火材料易损毁,使其高温服役性能降低。熔渣对碱性耐火材料侵蚀引起的熔渣渗透和耐火材料溶解是导致其损毁的主要原因。简要概述了碱性耐火材料抗渣侵蚀试验方法及其优缺点,综述了镁质耐火材料、镁铬质耐火材料、镁铝尖晶石质耐火材料及镁钙质耐火材料抗渣侵蚀机制的研究进展,并展望了该领域未来的发展方向。

Cr_(2)AlC对自结合SiC耐火材料服役性能的影响

为优化自结合SiC耐火材料的性能,以碳化硅(3~1、≤1和≤0.074 mm)、硅粉(≤45μm)和石墨(≤10μm)为原料,Cr_(2)AlC粉体(≤74μm)为添加剂,在150 MPa下压制为25 mm×25 mm×40 mm的坯体,经110℃干燥、1 300℃热处理后制备自结合SiC耐火材料。研究了Cr_(2)AlC加入量(加入质量分数分别为0、1%、3%和5%)对其常温物理性能、抗硫酸钠侵蚀性能以及抗水蒸气氧化性能的影响。结果表明:随着Cr_(2)AlC加入量增加,经110℃干燥后试样的常温物理性能差异不大,经1 300℃热处理后试样的常温物理性能呈现出逐渐升高的趋势,抗硫酸钠侵蚀性能先升高后降低。当Cr_(2)AlC粉体加入量为3%(w)时,试样在水蒸气中的质量变化率也较低,综合性能较优。

基于细观力学的多相耐火材料压缩状态损伤表征

针对多相复合耐火材料压缩状态下的非线性力学行为,在细观损伤力学的基础上,对改进的广义自洽模型进行逆向求解,研究多相耐火材料受到压缩载荷时的损伤行为,提出一种能表征多相耐火材料在压缩载荷下非线性损伤行为的方法。以AMC(aluminum-magnesium-carbon)多相耐火材料为例,利用该方法对其在受压状态下的力学行为进行表征。结果显示,表征结果和实验值吻合较好,为多相复合耐火材料的损伤表征提供了一种思路和理论基础。

方镁石-尖晶石质免烧耐火材料抗渣性能研究

采用烧结镁砂和电熔尖晶石为主要原料,酚醛树脂为结合剂,以单质硅粉、氧化钇等为添加剂,对比研究了添加剂及熔渣特性对方镁石-尖晶石质免烧耐火材料抗渣性能的影响.结果表明,熔渣碱度越高,黏度越小,越易于向耐火材料内部渗透.复合添加Al和Y_(2)O_(3)有利于改善材料结构与性能,一方面,Y_(2)O_(3)能够调节MgO晶粒生长、促进材料烧结。另一方面,Y_(2)O_(3)与熔渣中的CaO反应形成CaYAlO_(4),增大熔渣黏度,提高材料的抗渣侵蚀性能.

耐火材料冲蚀实验与机理研究

在钢铁冶炼过程中,耐火材料会受到钢液的冲蚀。本文分别以板状刚玉和含镁刚玉为骨料,以α-氧化铝以及镁砂为细粉,制备成板状刚玉质浇注料试样和含镁刚玉质浇注料试样,采用静止试样浸液通气法研究了钢液对不同刚玉质耐火材料的冲蚀。结果表明,耐火材料冲蚀的发生取决于材料的临界冲蚀强度;随着吹气量的增加,当钢液冲蚀应力大于材料的临界冲蚀强度时,冲蚀发生;冲蚀首先从耐火材料的基质部分开始,直至骨料剥落。含镁刚玉质耐火材料的临界冲蚀强度高于板状刚玉质耐火材料。

耐火材料与钢液相互作用的研究进展

耐火材料服务于国民经济和国防建设等众多领域,是冶金、建材、环保、能源、化工等高温工业不可替代的关键基础材料。随着国家建设与发展,高品质洁净钢的研发与生产越来越受到重视,而耐火材料直接参与钢铁冶炼过程,不仅是钢铁安全高效生产的重要保障,也对钢的质量有显著影响。钢冶炼用耐火材料与钢液反应会严重改变钢中碳、磷、硫、氮、氧等以及合金元素的组成及含量,既可以吸附、去除夹杂,也会产生夹杂,是钢中非金属夹杂物的主要来源之一。阐述了不同材质耐火材料与钢液的反应机理及其对钢质量的影响,研究表明,耐火材料与不同合金钢液反应界面层的组成差异较大,而高熔点、高粘度界面层的形成能有效抑制钢液对耐火材料的进一步渗透侵蚀;动态冶炼条件将加剧耐火材料的损毁及钢中外生夹杂;钢液对耐火材料的动态蚀损机制为:钢液渗透耐火材料并与其组分发生反应形成低熔点液相层,然后在剧烈的运动条件下,钢液与该液相界面层发生乳化卷混并造成其剥离,进而与耐火材料形成新界面,这一过程循环往复导致耐火材料不断蚀损,污染钢液;在外加电磁场、熔钢自源磁场以及高熵合金(钢)的发展下,耐火材料与钢液的作用机制亟待进一步研究,同时,耐火材料数值模拟结合大数据技术有望发挥重要功效,可为高品质洁净钢的生产及耐火材料基因工程建设提供指导。

碳纳米管增强碳复合耐火材料的研究进展

总结了直接加入碳纳米管法和催化酚醛树脂原位生成碳纳米管法应用在低碳耐火材料中的研究现状,提出了碳纳米管增强碳复合耐火材料目前存在的问题和今后潜在的发展方向。

低碳镁碳耐火材料的研究进展

综述了最近几年低碳镁碳耐火材料的研究现状,概括了近年来国内外研究人员为改善其性能所做的工作,重点介绍了纳米改性结合剂及抗氧化剂等在低碳镁碳耐火材料中的应用研究结果,并提出了低碳镁碳耐火材料的可能发展方向。

叶蜡石加入量对轻质隔热耐火材料性能的影响

为解决以粉煤灰为原料制备轻质隔热砖体积密度过大的问题,利用叶蜡石、粉煤灰、苏州土为主要原料,锯末为造孔剂,通过控制叶蜡石加入量（质量分数分别为20%、30%和40%）和烧成温度（1 250、1 300、1 350和1 400℃）合成了体积密度〈0.89 g·cm^-3的轻质隔热耐火材料,并利用XRD、SEM、导热仪等对试样进行表征。结果表明：当叶蜡石加入量为30%（w）,烧成温度为1 400℃时,制备的隔热砖试样的线收缩率为6.6%,显气孔率为57%,体积密度为0.75 g·cm^-3,耐压强度为2.7 MPa,在350℃时热导率为0.152～0.216 W·m^-1·K^-1。由此说明,通过利用叶蜡石的高温下分解生成莫来石和非晶石英相所产生的体积膨胀效应抵消坯体高温下产生的收缩,结合废弃物粉煤灰以及黏土可制备轻质隔热耐火材料。

精炼钢包铝镁系耐火材料轻量化及其渣蚀行为研究

耐火材料轻量化是其重要发展方向之一,研发合适的多孔骨料取代致密材料且确保服役安全与寿命是一条重要途径。大型工业炉工作衬处于高温苛刻环境,其渣蚀致损是关键,不仅与钢渣运动有关,也受材料微结构的影响,仅凭单一实验手段难以探明。以精炼钢包铝镁系耐火材料为对象,研制了性能指标参数优异的轻量微孔刚玉骨料及其轻量铝镁系耐火材料,无论是静态还是动态渣蚀实验,轻量铝镁系耐火材料均表现出不亚于普通铝镁系耐火材料的抗渣性能。同时,根据自制多孔骨料性能参数,采用随机骨料-基质二元结构模型描述耐火材料微结构差异,构建其渣蚀过程的温度、流动、反应等多场耦合数学模型,利用数值模拟方法,探索不同条件下精炼钢包轻量化耐火材料的渣蚀特性,明确了多孔骨料的关键参数及轻量化铝镁系耐火材料的抗渣蚀机理,可为设计和开发长寿轻量化耐火材料提供理论指导,能促进精炼钢包等高温窑炉的节能降耗。

Si-SiC复合粉添加量对低碳镁碳耐火材料性能的影响

为了综合利用在太阳能硅晶板生产过程中产生的大量工业废弃料Si-SiC复合粉,将其作为添加剂引入到镁碳砖中,研究了Si-SiC复合粉加入量(加入质量分数分别为0、1%、2%和3%)对低碳镁碳耐火材料性能的影响。结果表明,废弃Si-SiC复合粉可以提高低碳镁碳砖的抗氧化性与热处理后试样的常温力学性能。随Si-SiC复合粉添加量的提高,镁碳砖的抗氧化性提高。当添加量为2%(w)时,固化后试样及经1 600℃埋碳热处理后试样的力学性能最佳。综合考虑低碳镁碳砖的各项性能,Si-SiC复合粉的合适加入量为2%(w)。采用废弃Si-SiC复合粉作为低碳镁碳耐火材料的抗氧化剂可有效降低生产成本。