粉煤灰基托贝莫来石的合成及应用进展

托贝莫来石是一类重要的硅酸盐矿物,因具有优良的离子交换性能被广泛用于去除水中的重金属离子。但由于天然托贝莫来石矿物含量少、纯度低,因此往往采用水热法合成它。每年产生的粉煤灰含有大量活性玻璃相和丰富的Ca、Si、Al元素,可以作为合成托贝莫来石的主要原材料。因此,总结了粉煤灰的分类、理化性质以及托贝莫来石合成机制、影响因素、合成工艺和环保应用。以粉煤灰为原料可以合成结晶良好的针状托贝莫来石,它具有良好的吸附性能,可广泛用于处理废水中的重金属离子,其吸附效果理想且成本较低,可以实现以废治废。

金属-氮化物结合刚玉质滑板的结构与性能

由80%～90%板状刚玉及20%～10%金属铝组成的坯料经氮化处理(温度1100℃)后,再进行表面氧化处理(温度800℃),可制得显气孔率为2%的Al?AlN?Al2O3滑板材料,其1400℃高温抗折强度高达48.7MPa.该滑板材料浇钢的使用寿命是Al2O3?C滑板的2倍.显微结构分析表明,部分金属铝氮化形成AlN的体积膨胀效应及其对刚玉晶粒的结合作用,提高了材料的结构致密度和强度,赋予材料优良的抗钢液侵蚀性能.部分金属铝的高温塑性状态、金属铝及氮化铝的高导热性、刚玉与氮化铝的复相热失配等,是材料具有高抗热震性能的主要原因.

Al_2O_3-SiO_2纳米复合粉体材料的超临界制备及其性能

采用sol gel法和超临界流体干燥技术合成了Al2 O3-SiO2 纳米复合粉 ,并研究了该复合粉经不同温度处理后的显微结构形貌、比表面积、孔容分布、物相变化及分形维数等的变化规律。结果表明 :热处理温度直接影响粉体的显微结构特征 ,并决定其比表面积、孔容和分形维数 ;该复合粉体材料的莫来石化温度为 10 15℃左右。

铝碳质浸入式水口氧化铝结瘤机理的研究

分析了实际使用后的铝碳质浸入式水口的结瘤情况 ,对氧化铝结瘤机理提出了新的看法 ,为研究抗氧化铝结瘤的新方法和新材料提供了一定的理论和实验基础。

纳米Al_2O_3和SiO_2对刚玉质耐火材料烧结与力学性能的影响

在普通的刚玉质耐火材料中分别加入少量纳米Al2 O3和SiO2 ,研究了这两种纳米材料对经不同温度烧成后刚玉质耐火材料烧结与力学性能的影响。结果发现 :这两种纳米材料均能使刚玉制品的烧成温度降低 1 0 0～ 2 0 0℃ ,并在相同烧成条件下能使试样的常温抗折强度和耐压强度提高1～ 2倍。

塑性相结合刚玉复合砖的高温性能

通过设定高炉使用条件 ,将塑性相结合刚玉复合砖与现在高炉使用的刚玉莫来石砖及棕刚玉碳化硅砖在同等实验条件下进行了高温性能的比较。结果表明 :塑性相结合刚玉复合砖的结构致密 ,高温抗折强度高 ;而且在高温还原气氛下 ,其基质中的Si可与C和N2 反应 ,生成具有良好抗炉渣、铁水和碱金属侵蚀能力的碳化物和氮化物 ,并填充表面的间隙 ,形成一个良好的防护层 ,因此其抗侵蚀性能优于棕刚玉碳化硅砖和刚玉莫来石砖。

采用煤矸石基β-SiAlON制备β-SiAlON-SiC复合材料

首先,以煤矸石基β-SiAlON粉(以煤矸石和炭黑为原料,采用碳热还原氮化法合成)、硅粉、铝粉和α-Al2O3微粉为原料,采用二次氮化法制备了β-SiAlON材料,研究了原料配比、合成温度以及煤矸石基β-SiAlON粉纯度对β-SiAlON材料性能的影响。然后,选择二次氮化制备β-SiAlON材料的合适工艺参数,分别以不同量(质量分数分别为30%、50%和70%)SiC取代煤矸石基β-SiAlON粉,制备了不同复合比例的β-SiAlON-SiC材料。结果表明:(1)在二次氮化制备β-SiAlON材料时,增加Si粉、Al粉和α-Al2O3微粉加入量以及提高合成温度均有利于提高β-SiAlON的常温抗折强度和体积密度,降低其显气孔率;采用未除杂的煤矸石基β-SiAlON粉有利于β-SiAlON的强度。(2)在制备β-SiAlON-SiC复合材料时,SiC的最佳加入量(质量分数)为50%。

采用煤矸石和用后Al_2O_3-SiC-C铁沟料合成β-SiAlON

在热力学分析的基础上,以用后Al2O3-SiC-C铁沟料、煤矸石和活性炭为主要原料,采用碳热还原氮化法合成了β-SiAlON。详细讨论了合成温度(1 723和1 823 K)、活性炭加入量(理论需碳量、过量15%、过量30%和过量45%)、Si与Al元素摩尔比(分别为3:3,3.5:2.5和4:2)和煤矸石种类(低碳煤矸石和高碳煤矸石)对合成β-SiAlON的影响,并采用XRD、SEM和EDS等对合成产物进行分析。结果表明:(1)当合成温度由1 723 K增加到1 823 K时,合成后试样中β-SiAlON相含量增加,O’-SiAlON和α-Al2O3的含量降低;(2)加入过量的活性炭有利于合成后试样中β-SiAlON相含量的增加;(3)随着Si、Al元素摩尔比的增大,合成后试样中β-SiAlON相含量增多;(4)采用低碳煤矸石的试样中β-SiAlON相含量高于采用高碳煤矸石的,其原因是配料时前者中配入的活性炭更多,而活性炭的活性较高,更有利于促进碳热还原氮化反应的进行。

粘土碳热还原氮化二步法制备β-Sialon结合刚玉复相材料

以天然粘土为原料 ,采用碳热还原氮化法合成了β Sialon粉体 ,再将它与刚玉复合 ,常压下烧结制备了β Sialon结合刚玉复相材料 ;研究了合成β Sialon粉体的反应过程和最佳工艺参数 ,在反应温度为 1 5 0 0℃ ,保温 6h ,碳的质量分数为2 0 % ,氮气流量为 1 .5L·min- 1 的工艺条件下 ,产物中的β Sialon可达 90 % (质量分数 )以上。测定了添加不同烧结助剂的 β Sialon结合刚玉复相材料的力学性能 ,并用SEM观察了其断口形貌 ,发现添加稀土氧化物La2 O3和Y2 O3的样品烧结相当致密 ,抗折强度分别为 1 72MPa和 2 0 1MPa。

加入β-SiAlON对铝碳质材料性能的影响

以白刚玉、熔融石英(≤0.5mm)为骨料,鳞片石墨(≤0.15mm)、白刚玉(≤0.088mm和≤0.045mm)、矾土基β-SiAlON(≤0.088mm)以及添加剂为基质料,酚醛树脂作结合剂,在骨料与基质的质量比为35∶65的基础上,分别用0、7%、14%、21%、28%的矾土基β-SiAlON取代铝碳质材料中的石墨,经等静压成型后,试样于180℃固化24h,并在埋炭条件下于930℃热处理,研究了β-SiAlON加入量对处理后试样常温物理性能、抗氧化性、高温机械性能和抗热震性的影响。结果表明:(1)随着β-SiAlON加入量的增加,试样的显气孔率显著上升,体积密度降低,常温和高温抗折强度下降,抗氧化能力变差;(2)与原铝碳材料相比,加β-SiAlON的试样抗热震性均有所降低,但仍保持了良好的抗热震性,在1100℃热震温差下水冷3次和5次后的强度保持率均在90%和75%以上;(3)从降低C含量的角度考虑,在不显著降低铝碳材料性能的情况下,β-SiAlON加入量以7%左右较为适宜,此时试样仍具有较好的抗氧化性和高温抗折强度。

莫来石——刚玉系材料的高温蠕变性能研究

采用单试样递增应力和递增温度方法,研究了莫来石一刚玉系材料的高温蠕变性能。结果表明,材料的高温蠕变性能与相组成和显微结构密切相关;含莫来石和刚玉晶体的两晶相材料的高温蠕变性能优于莫来石或刚玉单晶相材料,并以含莫来石为75%、刚玉为25%的莫来石-刚玉材料的为最好;单晶相材料中,莫来石的高温抗蠕变性能优于刚玉材料。通过分析应力指数(n)和蠕变活化能(△H)等蠕变参数,认为材料的蠕变机理为晶界蠕变机理,即顺着应力方向沿晶界的质点扩散和晶界滑移。

刚玉-莫来石推板的研制与应用

研究了颗粒组成、结合剂种类及含量对刚玉 -莫来石质推板热震稳定性的影响。结果表明 :当颗粒料中莫来石与刚玉的质量比为 3∶1时 ,试样的抗折强度保持率最高 ,与颗粒料全部采用莫来石颗粒或刚玉颗粒相比 ,110 0℃ 水冷 3次后的抗折强度保持率分别提高了 2 5 %和 35 %。另外 ,用硅铝凝胶替代粘土作结合剂 ,也可提高刚玉 -莫来石质推板的热震后抗折强度保持率。研制出的刚玉 -莫来石推板的高温强度高 ,110 0℃ 水冷循环的热震次数超过 4 5次。经国内某厂家试用 ,其寿命可达 12 0次。

低品位铝土矿合成β-SiAlON的相变过程研究

采用XRD、SEM和EDS等手段 ,研究了低品位铝土矿碳热还原氮化合成SiAlON过程的相变。结果表明 :130 0℃开始氮化 ,形成Si2 N2 O和X SiAlON ;14 0 0℃开始形成 β SiAlON (z =3) ,X相明显增加 ;14 5 0℃时 ,β SiAlON (z =3)成为主要的氮化产物 ,并与少量的Si3 N4和刚玉并存 ;15 0 0℃开始形成 15R ,同时 ,β SiAlON的z值开始由 3变为 4 ;15 5 0℃时 ,15R和 β SiAlON成为主要物相 ,同时含有部分刚玉相和Si3 N4相。 14 5 0℃时 ,由低品位铝土矿合成纯净的 β SiAlON复合少量刚玉相粉体材料的最佳保温时间是 6～ 9h ,时间过短则含有较多的X相 ;时间过长则发生过量氮化 ,形成部分 15R和少量Si3 N4。

硅在刚玉-氮化硅系统中的作用

按氧化铝含量分别为 6 2 .5 %和 5 0 % ,氮化硅含量为 37.5 % ,硅含量分别为 0和 1 2 .5 %的配比将氧化铝、氮化硅和商品硅粉在小型球磨机上混合 2h ,充分干燥后加入约 4 %的蜂蜜混合均匀 ,压制成2 5mm× 2 0mm的样坯。样坯于 1 0 0℃干燥 2 4h后置于钼丝炉中 ,在埋炭并通以 4L·min- 1氮气的条件下分别于1 30 0℃、1 4 0 0℃和 1 5 0 0℃下保温 2h烧成。通过对烧成后试样的体积密度、显气孔率和常温耐压强度的测定以及XRD、SEM和能谱分析 ,重点研究了硅对刚玉 -氮化硅系统的强度、物相组成和显微结构的影响。结果表明 :在刚玉 -氮化硅系统中引入硅后 ,由于硅能在烧成过程中形成液相 ,因此能促进坯体的烧结 ,提高烧成试样的强度 ;硅在烧成过程中能反应生成絮状O’ SiAlON ,絮状O’ SiAlON交织于刚玉和氮化硅颗粒间 。

氮化铝抗水化性能及其在浇注料中的应用

研究了在空气中 70 0～ 1 0 50℃范围内热处理工艺对氮化铝抗水化性能的影响。结果表明 :氮化铝在空气中的氧化行为包括 :(1 )氮化铝被氧化成θ Al2 O3;(2 )进一步发生晶型转变形成α Al2 O3。经热处理 ,氮化铝的抗水化性能有一定的提高 ,将热处理的氮化铝引入刚玉 -尖晶石浇注料中 。

AZS 材料的显微结构及莫来石-ZrO_2间的固溶性问题的研究

用 SEM、TEM 和 EDAX 方法,结合电熔和烧结(包括热压烧结)的 AZS 材料的显微结构,进一步探讨了莫来石-ZrO_2间的固溶性问题,复证了:“在趋于平衡的情况下,ZrO_2在莫来石中无明显固溶”的结论;并用 TEM 电子探针测定了经1500℃、8h 热处理过的电溶 AZS 材料试样中的 ZrO_2内大约含有6.50wt%的 Al_2O_3和2.72wt%的 SiO_2.

红柱石基材料中氧化铝原料的应用研究

实验研究了几种氧化铝原料的加入对高纯红柱石基耐火材料性能的影响,采用XRD,SEM等手段分析了氧化铝原料种类及加入量对试样相组成和显微结构的影响。实验结果表明,纯红柱石制品的烧结性能比添加氧化铝细粉的红柱石制品的好,而不同氧化铝细粉对红柱石制品烧结性能的影响与其纯度及活性有关;红柱石颗粒分解产生的SiO2玻璃相难以全部与氧化铝反应形成二次莫来石;在本试验条件下,当氧化铝细粉加入量达到15%左右时,在试样中引起的二次莫来石化效应和烧成膨胀最大。

碱金属和锌对高炉用SiAlON结合刚玉砖的复合侵蚀

将高炉用SiAlON结合刚玉砖制成外部尺寸为50mm×50mm,内孔尺寸为25mm×25mm的坩埚,分别加入由Na2CO3、K2CO3、ZnO和宝钢高炉现场高炉灰配制的炉渣(其w(Na2O+K2O)=2.75%,w(ZnO)=5.1%)和用K2CO3、ZnO、石墨配制的炉渣(其w(Na2O+K2O)=25%,w(ZnO)=25%),然后分别在还原气氛下于1350℃16h和1100℃40h进行侵蚀试验。将侵蚀后的试样纵向对称剖开,观察渣对试样的侵蚀和渗透情况,进行SEM和EDAX分析。结果表明:碱金属和锌含量不同的两种炉渣对SiAlON结合刚玉砖的侵蚀速度都很小;碱金属侵蚀机理主要是SiAlON与碱蒸气反应生成钾霞石,与渣反应生成铁橄榄石,并参与硅酸盐玻璃相的生成;刚玉颗粒与渣中的FeO、Na2O和K2O反应生成铁铝尖晶石和少量针状β-Al2O3;锌对该砖没有产生明显的化学侵蚀。

氧氮化硅结合碳化硅窑具材料研究

利用热力学分析了氧氮化硅结合相的生成机理。探讨了硅粉加入量对氧氮化硅生成量、材料的各项理化性能以及抗氧化性能的影响。结果表明：氧氮化硅的含量随Ｓｉ含量的增加而增加。

Al_2O_3-Al-C材料加热过程的变化

按w(板状刚玉)=84%,w(铝粉)=8%,w(α-Al2O3微粉)=6%,w(鳞片石墨)=2%的配比配料,外加3%热固性酚醛树脂作结合剂,成型后于200℃烘烤24h。在埋炭条件下于600～1400℃保温3h加热处理,冷却后测量试样的线变化率、显气孔率和常温耐压强度,并分析部分试样的孔径分布、相组成和显微结构,同时测定烘烤后试样在600℃、800℃、1000℃、1200℃和1400℃下的热态抗折强度,以分析该材料在加热过程的变化。结果表明,试样在600～1400℃埋炭加热过程中的变化可大致分为3个阶段:1)600～800℃,金属Al于660℃熔化,促进试样致密化,在800℃时已有少量Al4C3和AlN生成,使加热后试样的致密度和强度增大;2)800～1200℃,大量生成Al4C3和AlN,Al4C3和AlN填充在刚玉骨架结构中,试样的显气孔率进一步减小,常温耐压强度和热态抗折强度进一步增大;3)1200～1400℃,金属Al消失,Al4C3含量减少,部分与N2反应转化为AlN,试样的显气孔率略有降低,常温耐压强度和热态抗折强度略有增大。由此可见,随着加热温度的提高,材料的结合方式从碳结合转变为碳和金属铝复合结合,最后逐渐转变为碳和非氧化物复合结合。