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。

碳源对反应烧结碳化硅性能的影响

以炭黑和石墨为碳源,控制碳添加量为10%(质量分数,下同),研究了不同炭黑、石墨比例对反应烧结碳化硅性能的影响。结果表明,当炭黑添加量为4%、石墨添加量为6%时,反应烧结碳化硅的力学性能较佳,此时抗弯强度为251.7 MPa,断裂韧性为4.29 MPa·m^(1/2)。通过XRD检测及对XRD谱进行Rietveld精修,分析发现炭黑添加量为4%、石墨添加量为6%的反应烧结碳化硅中的游离Si含量为24.44%(质量分数),而石墨添加量为10%的反应烧结碳化硅中的游离Si含量为28.57%(质量分数),相比前者游离Si含量较高,减少游离Si的含量可以提高反应烧结碳化硅的力学性能。

微孔白云石加入量对镁钙质中间包干式料性能的影响

以白云石为原料,采用二步煅烧法制备的致密镁钙砂是镁钙质中间包干式料常用的耐火原料。然而二步煅烧法工艺复杂,资源耗费大,且致密镁钙砂不利于中间包干式料隔热性能的提升。以一步煅烧法(1400℃保温3 h)制备的微孔白云石和电熔镁砂为主要原料,分别于1100、1550℃热处理后制备了镁钙质干式料试样,研究了微孔白云石加入量(质量分数分别为0、15%、30%、45%和60%)对试样性能的影响。结果表明:随着微孔白云石加入量的增加,1100℃热处理后试样的线收缩率和体积密度呈减小趋势,常温耐压强度先增大后减小;1550℃热处理后试样的线收缩率先减小后显著增大,显气孔率增加,热导率大幅降低,但常温耐压强度和抗渣性能降低。当微孔白云石加入量为60%(w)时,1550℃热处理后试样在800℃下的热导率为2.410 W·m^(-1)·K^(-1),与传统镁质干式料相比下降了51.9%,同时常温耐压强度为26.0 MPa,在力学性能略微降低的情况下表现出优异的隔热性能。

热处理时间对铜渣制备红外辐射涂层结构及性能的影响

铜渣作为炼铜产生的固体废弃物,常被堆放占用土地资源,并且污染环境,其资源化利用日益受到国内外广泛关注。针对此问题,以铜渣为主要原料,松油醇为成膜剂,乙基纤维素为增稠剂,高铝砖为红外辐射涂层基底材料,于1200℃热处理后制备了红外辐射涂层,研究了热处理时间(0.5、2、4和8 h)对涂层显微结构以及其分别在常温和400℃下发射率的影响。结果表明,涂层与高铝砖基底结合良好,且随着热处理时间的延长,涂层逐渐致密;涂层在1200℃热处理8 h后,其在常温下近红外波段(0.8~2.5μm)的发射率最高,为0.862;热处理4 h后,涂层在使用更为广泛的中红外波段(2.5~25μm)的发射率最高,为0.928;涂层经不同时间热处理后,在400℃下1~22μm波段的发射率不断增大且全部大于0.93。结合实际应用,最佳热处理时间为4 h。

材料与冶金国际化新工科人才培养“双培三挑四同”模式探索与实践——以武汉科技大学为例

提出材料与冶金国际化卓越人才培养的“双培三挑四同”创新理念,通过构建行业特色国际化“新工科”人才培养方案及课程体系,设立“材料类国际化英才试点班”,打造国际联合培养的双师资、双校园、双语的“双培”国际化师生队伍和平台机制,创立基于挑战性学习、中外学生教学同行、科教产教融合的“三挑四同”教学新方法,构建面向“一带一路”材料与冶金国际化人才培养创新模式,旨在培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。

高新技术制造企业风险承担影响机制的组态路径研究:基于激励与监督视角

在全球保护主义上升和技术封锁加剧的背景下,提升企业风险承担能力,促进科技创新是一个重要的时代命题。基于委托代理理论中的激励与监督视角,本文构建了企业风险承担的驱动机制模型,并通过模糊集定性比较分析(fsQCA),检验了由激励机制因素和监督机制因素构成的条件组态对中国高新技术制造企业高风险承担水平的影响路径。研究结果表明,单一条件并不构成高风险承担水平的必要条件;激励机制条件和监督机制条件间的“耦合效应”最终形成了四条高风险承担路径,即资金驱动型、风投债务型、信息披露型和群体分担型,它们之间互不冲突且完全等效,体现了“殊途同归”的原则。研究结论不仅从理论上揭示了高新技术制造企业风险承担的多重影响机制,而且为这些企业的科技创新风险管理提供了实践指导。

锆英石加入量对低碳镁碳砖抗剥落性能的影响

为了提高VOD钢包用低碳镁碳砖的抗剥落性能,以粒度为5~3、3~1、<1和<0.088 mm的电熔镁砂,粒度<0.15 mm的天然鳞片石墨,粒度<0.045 mm的金属铝粉和粒度<0.05 mm的锆英石粉为主要原料,热固性酚醛树脂为结合剂,制备了低碳镁碳砖,研究了锆英石加入量(加入质量分数分别为0、1%、2%、5%)对低碳镁碳砖抗剥落性能的影响。结果表明:1)添加1%(w)锆英石试样的高温抗折强度、抗热震性、抗氧化性及抗渣性均达到最大,说明锆英石的加入有助于提高低碳镁碳砖的抗剥落性能。2)添加锆英石的试样经1 400℃埋碳加热0.5 h后,基质中有针状、连续片状空间结构的阿隆(AlON)以及片状氧化铝-氧化锆复合物生成,且通过钉扎增韧以及颗粒增韧提高了高温力学性能和抗热震性。3)加入过量的锆英石会导致氧化锆生成量明显增加,其高温下的体积变化使基质中微裂纹聚集,造成试样的抗剥落性能大幅下降。

基于数字图像相关法的铝镁质耐火材料抗侵蚀性能研究

钢渣侵蚀是耐火材料在服役过程中的主要损毁形式之一,实际侵蚀过程难以直接观察。传统上采用蚀后分析方法来评价耐火材料的抗侵蚀能力和了解侵蚀机理,但易缺少过程信息,导致结果存在偏差。因此,本文在高温可视化系统基础上,结合数字图像相关法,选取三种典型钢渣,开展铝镁质耐火材料的渣蚀行为研究,并探讨了不同钢渣及热处理温度对材料抗侵蚀能力的影响。结果表明:碱度越低的熔渣对铝镁质耐火材料的侵蚀越严重;对铝镁质耐火材料进行1 000℃以上的热处理,可有效提高材料的抗侵蚀能力;通过数字图像相关法可以获得随时间变化的平均应变曲线和侵蚀应变云图,其中平均应变曲线可以对比铝镁质耐火材料对不同钢渣的抗侵蚀能力,侵蚀应变云图可以反映侵蚀的演变过程,两者为耐火材料渣蚀过程的表征提供了量化指标。

炭黑和造孔剂对反应烧结碳化硅性能的影响

为提高反应烧结碳化硅的力学性能,以碳化硅微粉(55~44和5.0~3.5μm)和炭黑为原料,羧甲基纤维素纳(CMC)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)为造孔剂,经1740℃保温1 h制备了反应烧结碳化硅陶瓷。研究了炭黑添加量(加入质量分数分别为5%、7.5%、10%、12.5%、15%)及不同质量比的造孔剂对反应烧结碳化硅物理性能的影响,并进行XRD和光学显微镜分析。结果表明:1)当炭黑添加量(w)从5%增加到15%时,材料弯曲强度从172 MPa升高到258 MPa,断裂韧性从3.31 MPa·m^(1/2)升高到3.77 MPa·m^(1/2);2)造孔剂能够优化游离Si的分布,当炭黑添加量为15%(w),造孔剂CMC与HPMC质量比为1.5∶4.5时,反应烧结碳化硅具有优异的力学性能,其弯曲强度为268 MPa,断裂韧性为4.42 MPa·m^(1/2)。

B_(2)O_(3)对无氟CaO-Al_(2)O_(3)-BaO基保护渣性能的影响

借助高温物性测试仪、黏度仪、原位热分析仪及傅里叶变换红外光谱仪等,研究了B_(2)O_(3)含量对无氟CaO-Al_(2)O_(3)-BaO基保护渣熔化温度、黏度和结晶性能的影响。结果表明,当B_(2)O_(3)含量为7%时,无氟CaO-Al_(2)O_(3)-BaO基保护渣熔化温度、黏度和结晶性能最佳。

钛铁渣加入量对Al_(2)O_(3)-SiC-C铁沟浇注料性能的影响

为合理利用钛铁渣进而缓解资源紧张,以矾土熟料、致密刚玉、SiC、α-Al_(2)O_(3)微粉、SiO_(2)微粉、Si粉为主要原料,添加质量分数分别为0、11.2%、22.4%、33.6%、44.8%和56.0%的钛铁渣等量替代矾土熟料,于1450℃保温3 h热处理后制备了Al_(2)O_(3)-SiC-C浇注料,研究钛铁渣的加入量对浇注料性能的影响。结果表明:1)随着钛铁渣加入量的增多,浇注料的体积密度降低,显气孔率增加,常温强度总体呈下降趋势,但同时会在一定程度上提高浇注料的高温抗折强度和抗热震性;2)钛铁渣的引入带来过多的气孔为氧气的扩散提供了更多通道,且经氧化处理后由钛铁渣引入的杂质会生成较多液相,使得浇注料结构疏松,显著降低抗氧化性能;3)钛铁渣与熔渣反应会生成镁铝尖晶石,能够阻止熔渣的进一步侵蚀,提高其抗渣侵蚀性。综合考虑,钛铁渣的最佳加入量为56.0%(w)。

带执行机构的恒压差控制系统稳定性研究

基于某型航空发动机加力燃油调节器的恒压差控制系统,推导出带执行机构的恒压差控制装置的动态数学模型(状态空间形式),得到其传递函数,并利用Simulink建立仿真模型,根据模型求取闭环零极点图,提取了影响压差控制系统稳定性的6个参数,包括节流嘴直径、压差控制活门和压差执行活门节流孔面积梯度、压差控制活门和压差执行活门阀芯面积,并研究了其对系统稳定性的影响。通过合理的元件试验方案进行试验验证,最终确定此恒压差控制装置的数学模型仿真结果可以作为恒压差控制装置动态稳定性分析以及设计的依据。

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。

300t精炼钢包温度场和应力场的有限元分析

在目前所用材质体系和砌筑结构的基础上,对精炼过程中的300t精炼钢包剪切应力场、温度场和热应力场以及膨胀缝的最大接触应力进行了有限元研究。结果表明:在LF精炼过程中,渣线处的内衬砖最容易受冲刷和热应力的作用而损毁,需在保证良好抗渣性能的同时采用热膨胀系数低、抗冲刷性好的耐火内衬砖;膨胀缝的最大接触应力与膨胀缝的大小呈线性反比关系,以保持在0.8～1.8mm之间为宜。

气幕挡墙中间包夹杂物去除的水模型研究

以连铸1500mm×250mm板坯的中间包为原型,几何相似比1/3,采用自制多孔透气砖进行中间包底吹气的水模型试验。结果表明,气幕挡墙中间包中,夹杂物通过斯托克斯机理上浮,气泡吸附和钢液上扬流动而上浮去除;当吹气量≥0.08m^3/h,距入口中心533～800mm处形成有效的气幕挡墙,显著改善钢液流动性,夹杂物去除率由不吹气的44.86%增加至72.86%,并改善小颗粒夹杂物的去除。工业试验表明,采用气幕挡墙,使T[O]降低12%以上。

300t精炼钢包透气砖应用的数学物理模拟

针对300 t精炼钢包,在LF设备电极位置与钢包透气砖所在位置的对应关系确定的基础上,通过水模、数模分别采用单吹、复吹时钢包内钢水流动特性和夹杂物去除的对比研究,探讨了透气砖结构性能的影响作用。结果表明,单吹时应使用抗渗透较好且能形成有利于夹杂物去除的气泡形态狭缝式透气砖(PB1),吹气卷渣临界气量为1.45 m3/h,气量需稳定,混匀时间为82.44 s,钢液渗透小,夹杂物去除率为62.86%,能够满足搅拌钢液起到成分和温度的快速均匀以及净化钢液的作用。

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。

底吹中间包气泡形成过程的数模研究

采用两阶段模型,使用MATLAB语言编程,对中间包气幕挡墙砖中气泡的形成过程进行了数学模拟,研究了影响气泡大小的因素。结果表明:中间包内所形成气泡的大小主要受气体流量、钢液流速和气孔直径的影响。气泡直径随气体流量的增大而增大,随钢水流速的增大而减小,随气孔直径的增大而增长。孔径增大对气泡直径的影响较明显,孔径较小且只在较小范围内波动时,钢液流速和气体流量是主要影响因素。

六流小方坯中间包气幕挡墙的数学模拟

根据6流200 mm×200 mm方坯30 t中间包的结构操作工艺参数,采用欧拉两流体模型、多孔介质模型、欧拉-拉格朗日随机轨道模型及Monte-Carlo法,并引入气泡吸附模型,用数学模拟法对比研究了采用气幕挡墙技术对6流中间包内钢液流动特性及夹杂物去除的影响。结果表明,采用气幕挡墙技术优化后,可以有效改善钢液的流动状态,均衡各出口停留时间,有效延长钢液的平均停留时间,降低死区体积,提高夹杂物去除率,适应多流中间包超纯净钢冶炼的需求。

精炼钢包刚玉基耐火材料冲蚀的有限元分析

本文根据精炼钢包耐火材料的使用工艺条件,采用Johnson-cook模型,通过与实验值的对比,利用有限元模拟方法计算了刚玉基耐火材料在高温服役条件下的冲蚀率,研究了冲蚀角、冲蚀物速度、冲蚀物粒径和材料气孔率与冲蚀率之间的关系。结合耦合固液传热的精炼钢包钢液流场,对钢包精炼过程的冲蚀情况进行了分析和探讨。结果表明:采用Johnson-cook模型模拟高温条件下耐火材料以塑性切削为主的冲蚀,模型正确、参数合理;冲蚀角在15°～30°小角度范围内,冲蚀率较大,随后随着冲蚀角的增大而下降;冲蚀率与冲蚀物速度、冲蚀物尺寸、气孔率均呈现指数变化关系;精炼钢包刚玉基耐火材料主要是承受小角度切削冲蚀,服役过程中形成高熔点致密界面层能有效改善其抗冲蚀损毁。