耐火材料的抗碱侵蚀性研究进展

碱侵蚀是高炉、回转窑、匣钵等高温装置重要部位损毁的主要原因,不同于熔渣导致的溶解侵蚀和物理冲刷导致的蚀损,碱侵蚀有着其特殊的作用机制。本文首先介绍了碱的物理性质并计算了其与耐火氧化物反应的吉布斯自由能和体积效应,以此为出发点综述了碱对典型高温装置关键部位的侵蚀过程及机制,并概述了碱性耐火材料、铝硅系耐火材料、非氧化物耐火材料、新型合成材料抗碱侵蚀的研究与应用新进展,同时对比了几种国内外抗碱侵蚀标准或方法,最后对耐火材料抗碱侵蚀性研究提出了几点建议。

旋转齿PDC钻头研制及应用

为进一步提高PDC钻头的破岩效率,延长钻头进尺,研制了旋转齿PDC钻头,该钻头切削齿破碎岩石的同时保持旋转,旋转能够均匀分散磨损,同时也有效地冷却切削齿保持切削齿锋利;切削齿的周边都得到充分利用,提高切削齿的利用率。本文设计了旋转齿结构,通过有限元模拟优化各部位参数,研制出旋转齿,设计研制了旋转齿PDC钻头,并进行了现场试验,进尺高、机械钻速快,具有极高的推广应用价值。

氧化铝基网状织构化涂层的润湿性能研究

为解决聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)表面泥包问题,设计一种氧化铝基织构化涂层。通过接触角试验,了解激光工艺参数对氧化铝基网状织构化涂层表面润湿性能的影响,结合接触角理论分析液滴在织构涂层表面的浸润状态,并借助室内动态防黏附性能评价试验检验泥浆液环境下织构化涂层表面防泥浆黏附效果。结果表明:织构化表面液滴处于复合润湿状态,处于Cassie-Baxter接触状态的液滴呈现出向Wenzel接触状态过渡的趋势;织构化AT13涂层的表面黏附量相较于基材减少9.7%。

反应烧结制备Si_3N_4-BN复合材料性能的研究

以粒度≤45μm、w(Si)>98%的Si粉,粒度≤5μm、w(BN)=99%的h-BN,粒度≤45μm、w(Si3N4)=95%的Si3N4粉为原料,采用等静压成型,氮化反应烧结工艺制备了Si3N4-BN复合材料,研究了Si粉添加量(w)分别为15%、30%、45%时对材料常温性能、高温性能及抗钢液侵蚀性的影响。结果表明:随Si粉添加量的增加,Si3N4-BN复合材料常温强度及高温强度增加,但Si粉添加量(w)为45%时,Si3N4-BN复合试样内存在少量的残Si;Si3N4-BN复合材料具有较低的热膨胀系数及优异的抗钢液侵蚀性能。

AlN对Al_2O_3-C材料性能的影响

采用碳热还原法制备的AlN复合粉(主成分是AlN和Al2O3)部分取代Al2O3-C材料中的Al2O3微粉,研究了AlN复合粉加入量(分别为0、15%和25%)对Al2O3-C材料性能的影响。结果表明:(1)试样的显气孔率随AlN复合粉取代量的增加而增大,体积密度、常温抗折强度随AlN复合粉取代量的增加而减小;(2)AlN复合粉的引入能显著提高Al2O3-C材料的高温抗折强度;(3)添加AlN复合粉的试样经熔钢侵蚀后,在材料表面形成较连续的致密层,有利于提高材料的抗熔钢侵蚀性和冲刷性。

碳热还原法制备耐火材料用AlN的研究

A lN在很多方面具有优异的性能,它在耐火材料中的应用日益引起人们的关注。但是,由于高纯A lN价格昂贵,限制了它在耐火材料领域的使用。本文采用碳热还原法研究了不同反应温度、反应时间、铝源及原料粒度对A lN制备结果的影响。结果表明,以400目的A l(OH)3在1500℃下,反应5h,即可制备出低成本、适合耐火材料用A lN。

Si_3N_4-BN复合材料的制备及抗震性研究

以Si粉、h-BN、Si3N4为原料,配制成h-BN添加量分别为20%、25%、30%(w)的混合料,经振动磨混合、等静压成型、氮化烧结(1 400℃保温5 h),制成Si3N4-BN复合材料试样。分析试样的物相组成,并检测其显气孔率、体积密度、常温强度、高温强度、弹性模量、热膨胀系数等性能指标;利用有限元分析软件ANSYS分析w(h-BN)=30%的试样在模拟薄带连铸条件下的抗热震性,然后采用熔融金属热冲击方法对不同温度(分别为650、750和850℃)保温30 min烘烤后w(h-BN)=30%的试样进行抗热震试验。结果表明:1)随着h-BN添加量的增加,Si3N4-BN复合材料的烧结性能下降,强度、弹性模量、热膨胀系数减小。2)w(h-BN)=30%的Si3N4-BN复合材料的抗热震性能可以满足现有薄带连铸生产的工况条件,有望成为热压h-BN的代替品。

连铸用浸入式水口防结瘤研究进展

介绍了水口结瘤产生的原因、结瘤物的形成过程、防止水口结瘤的方法,重点综述了电场对浸入式水口结瘤的影响,包括浸入式水口荷电的基础理论和测量、浸入式水口荷电初步研究、电场条件下钢液对耐火材料润湿行为的影响、电场对熔融金属中的氧化物夹杂的影响。基于流体力学、化学等因素对耐火材料材质、结构及夹杂物颗粒传递、黏附的影响规律,通过优化工艺条件、内壁复合防堵塞材料、创新浸入式水口结构、施加物理场等开展了较多的研究,使水口结瘤问题得到了一定程度的解决,但适用性不强、结瘤机制研究不深入等问题仍然很突出;利用电场调控防止浸入式水口结瘤堵塞作为一种新兴的防堵技术,虽然已在连铸现场试验中取得了一定的效果,但施加电场方式、电场参数及设备等工艺问题还需逐步完善,对夹杂物、浸入式水口材料在高温下的表面特性还需进一步深入研究。最后指出材料与外加电场结合将成为浸入式水口防堵塞技术的重要方向。

高效连铸用薄板坯浸入式水口结构设计

为了得到适宜高速连铸用的浸入式水口,利用粒子图像测速系统(PIV)和DJ800水工测量系统,采用水模拟方法对不同结构的四孔浸入式水口(SEN)进行了模拟试验,研究不同出口面积比(分别为2 1 2、3 2 3、1 1 1和1 2 1),上导流岛夹角θ(分别为20°、40°、60°和80°),以及下导流岛夹角α(分别为60°、80°、100°和120°)对结晶器内流场涡心位置、波动等的影响。结果表明,浸入式水口出口面积比和上下导流岛夹角对流场有明显的影响,当出口面积比为1 2 1,上导流岛夹角为80°,下导流岛夹角为100°时,结晶器内流场结构较合理。

高可靠性梯度功能耐火材料

随着精炼和连铸技术的快速发展,要求连铸功能耐火材料透气元件、长水口、整体塞棒、浸入式水口具有高的可靠性和长寿命。与普通功能耐火材料相比,梯度功能耐火材料在材料组成及结构设计方面进行了优化,重点解决了产品的抗热震性和关键部位抗侵蚀性,从而使产品具有高安全可靠性和长使用寿命。

钢包透气砖服役过程中应力分布研究

利用Ansys有限元分析软件对钢包透气砖服役过程中的应力分布进行了研究。结果表明:透气砖在服役过程中,吹氩阶段所受热应力最大,在吹氩结束的瞬间达到最大值,此时透气砖工作面主要受径向和周向的压应力,透气砖内部主要受径向、周向和轴向的拉应力;透气砖损毁主要出现在两个部位,一是工作面狭缝周围由于压应力大易产生裂纹或者剥落,二是在距透气砖工作面74 mm的位置由于拉应力大易发生横断损毁。

窑具应用现状及发展前景

窑具在高温窑炉中循环使用,用于支撑其运行或保护承烧制品的一类耐火材料,窑具的性能关系着窑炉的运行效率以及承烧制品的质量,其在卫生建材、功能陶瓷,粉体合成等领域应用广泛。传统铝硅质/碳化硅质窑具应用最为普遍,并面临居多问题:在循环服役过程中,反复的急热急冷导致其力学性能下降并最终损毁;窑具重量普遍高于甚至是数倍于承烧制品,在烧成过程中吸热造成能源浪费;随着5G通讯、锂离子电池等新兴产业的发展,传统的酸性材质窑具易与承烧的碱性制品发生反应,导致窑具损毁并污染承烧制品,同时用后窑具工作面含有Co2+(正极材料)等重金属离子,存在危害环境的风险。总结当前国内窑具的开发与应用现状,并得出今后窑具在以下几个方面需要持续开展的工作:(1)利用数值模拟计算服役时的热应力与机械应力分布,改善窑具抗热震性能。(2)开发低蓄热、高导热窑具,以适应高效,节能的窑炉工业发展趋势。(3)采用复合技术制备多层结构窑具,提高窑具表层材料反应惰性,实现抗热震性与抗侵蚀性的协同提升。

薄板坯连铸单流中间包流场的数学模拟

采用数值计算的方法模拟单流中间包内钢液流动行为。计算模拟了无控流装置,应用挡渣墙坝,以及导流隔墙时中间包内钢液流动分布、温度场。结果表明:中间包无控流装置易在中间包中下部形成贯穿流,不利于新旧钢液混合以及夹杂物去除;导流隔墙可使钢液充分上扬,夹杂物易为覆盖渣俘获,有利于夹杂物去除;加装控流装置后,湍动能在到达控流装置前加强,有利于小粒径夹杂聚合上浮;而湍动能在经过控流装置后减弱,有利于钢液平稳流入结晶器;导流隔墙与堰坝组合均可使中间包内钢液充分混合,温度均匀,进出口温差减小。

六流小方坯中间包流场优化水模研究

为改善某钢厂六流小方坯中间包钢液流场,净化中间包钢水以及改善钢水的温度分布,通过合理设计正交水模试验,考察各方案中间包死区体积、多流一致性等参数,以及两者的综合指标,表明影响该中间包流场综合特性的主次因素顺序为:孔径大小→导流孔倾角→挡墙位置→挡墙高度,其中导流孔径55mm,向上倾角30°,挡坝距中端400 mm,高度250 mm,此方案流场较为合理。

溶剂和催化剂对低碳Al2O3-C材料性能的影响

研究了不同溶剂(乙醇EA、乙二醇EG、糠醇FA和糠醛FF)对酚醛树脂(PF)炭化残炭率的影响,以及不同溶剂(EA、FA、FF)和催化剂硝酸镍对埋碳热处理后低碳Al2O3-C材料试样致密度、常温强度、高温强度、抗热震性的影响。结果表明:1)酚醛树脂在800和1200℃的炭化残炭率均按所用溶剂EA、EG、FA、FF的顺序增大。2)溶剂种类和是否添加硝酸镍,对800和1200℃埋碳热处理后低碳Al2O3-C试样的致密度均没有影响。3)硝酸镍添加情况相同时,使用EA的低碳Al2O3-C试样的常温抗折强度和高温抗折强度与使用FA的差别很小,使用FF的低碳Al2O3-C试样的常温抗折强度和高温抗折强度均显著大于使用EA和FA的;溶剂相同时,添加硝酸镍的低碳Al2O3-C试样的常温抗折强度和高温抗折强度均比未添加硝酸镍试样的大。4)硝酸镍添加情况相同时,低碳Al2O3-C试样的抗热震性按所用溶剂EA、FA、FF的顺序增大;溶剂相同时,添加硝酸镍试样的抗热震性比未添加硝酸镍试样的高。

聚碳硅烷对低碳铝碳材料结构与性能的影响

为了提高低碳铝碳耐火材料的高温性能,以板状刚玉、电熔白刚玉、α-Al_2O_3微粉、鳞片石墨为主要原料,环保沥青、液态热塑性酚醛树脂、固态树脂粉、固态聚碳硅烷和正己烷为外加剂,研究了聚碳硅烷外加量(加入质量分数分别为0、0. 3%和0. 6%)和热处理温度(950、1 100、1 250、1 400和1 550℃)对低碳铝碳材料显微结构、强度及抗热震性的影响。结果表明:经950℃热处理后,聚碳硅烷热解破坏酚醛树脂热解碳结构; 1 100～1 250℃时,聚碳硅烷生成网状结构,弥补材料强度;当聚碳硅烷外加量为0. 6%(w),于1 550℃热处理后,聚碳硅烷高温裂解生成含Si纤维,材料强度提高。但含Si纤维的生成,会引起材料热膨胀失配,从而导致试样热震后的强度保持率下降。

在内衬材料中添加氢氧化铝提升长水口的抗热震性:内衬材料显微组织与性能及长水口颈部最大热应力数学模型

本工作旨在通过向内衬材料中加入氢氧化铝来提升长水口部件的抗热震性。以氧化铝空心球、烧结刚玉为主要原料,配以不同含量的α-Al2O3微粉和干基氢氧化铝,经过预混、成型、热处理,制备了一系列长水口内衬材料。利用XRD和SEM进行显微组织分析,发现氢氧化铝含量的变化并未改变内衬材料的相组成,材料中氢氧化铝呈孤岛状分布。对内衬材料开展了若干力学及热学性能测试,结果表明,随氢氧化铝含量的增加,内衬材料体积密度降低,气孔率升高,常温抗折强度、弹性模量、热导率和热膨胀系数均降低。之后通过有限元法与回归分析,进一步建立了内衬材料热膨胀系数α、弹性模量E、热导率λ三种因素与复合长水口颈部最大热应力σmax之间的数学模型,在该模型中,σmax与α、E和λ之间呈交叉线性关系。结合力学、热学性能测试结果,借助所得数学模型,预测氢氧化铝含量与σmax呈负相关关系(即与长水口抗热震性呈正相关关系)。最后,对比了普通硅质长水口内衬与Al2O3-Al(OH)3体系内衬的实际使用效果,前者与后者的侵蚀速率分别为0. 049 mm/min和0. 032mm/min。

结合剂对氧化铝体系长水口内衬材料结构与性能的影响

为改善免预热长水口内衬氧化铝材料的使用性能,以氧化铝空心球、板状刚玉和α-Al_2O_3微粉为主要原料,分别以磷酸二氢铝溶液(磷酸二氢铝与水的质量比为7 3)和木质素磺酸钙溶液(木质素磺酸钙与水的质量比为1 1)-黏土为结合剂制备了长水口内衬Al_2O_3材料,研究了结合剂含量(磷酸二氢铝溶液的外加质量分数分别为2%、4%、6%、8%和10%,黏土的外加质量分数为4%,木质素磺酸钙溶液的外加质量分数分别为2%、4%、6%、8%和10%)和热处理温度(950和1 550℃)对试样结构与性能的影响。结果表明:950℃热处理后,两种结合体系的试样均以α-Al_2O_3相为主,以磷酸二氢铝为结合剂的试样中出现了AlPO_4相;两种结合体系的试样均未发生烧结;以木质素磺酸钙-黏土为结合剂的试样的体积密度、常温抗折强度和热导率随结合剂含量的增加而升高,线膨胀率基本相同;以磷酸二氢铝为结合剂的试样的体积密度、常温抗折强度和热导率随结合剂含量的增加先升高后降低,并且由于石英型AlPO_4相变作用,试样在500～600、700～800℃出现了急剧膨胀现象; 1 550℃热处理后,以磷酸二氢铝为结合剂的试样发生明显的烧结现象,体积密度和强度升高;以木质素磺酸钙-黏土为结合剂的试样由于碳的阻碍作用,强度随结合剂含量增加而下降。综合考虑各项性能,磷酸二氢铝溶液和木质素磺酸钙溶液适合加入量(w)分别为4%和2%。

添加 Al-TiO2复合粉对Al2O3-C 材料的影响

首先,以Al粉和钛白粉(Ti O2)为原料,分别采用凝胶注模法、普通混合法和振动球磨法制备成m(Al粉)∶m(Ti O2粉)=1∶3.5的Al-Ti O2复合粉,然后分别将这三种Al-Ti O2复合粉按5%(w)的比例引入Al2O3-C材料中,以120 MPa压力等静压成型为25 mm×25 mm×170 mm的试样,然后在埋炭(焦炭)条件下于1 300℃保温3 h热处理,研究了Al-Ti O2复合粉对Al2O3-C材料物理性能、抗热震性能和显微结构的影响。结果表明:在Al2O3-C材料中添加Al-Ti O2复合粉体能降低其显气孔率,提高其常温抗折强度和抗热震性,并以凝胶注模法制备的复合粉体的改善效果最明显;Al-Ti O2复合粉体在Al2O3-C材料中反应后生成内壁为致密陶瓷相的封闭孔洞;凝胶注模法制备的Al-Ti O2复合粉体中,Ti O2粉能更充分地包裹金属Al粉,防止Al粉与Al2O3-C材料中的C反应,减少Al4C3的生成。

南钢电弧炉炼钢烟尘沉降室用耐火材料抗侵蚀性研究

为了提高电弧炉炼钢沉降室耐火材料选材的科学性,使用南钢电弧炉炼钢沉降室烟尘,对南钢电弧炉炼钢烟尘沉降室在用的黏土砖以及拟用的氮化硅结合碳化硅砖和镁铬砖进行了静态坩埚法抗渣试验,结果表明:1)镁铬砖抗渣性能最好,氮化硅结合碳化硅砖次之,黏土砖最差。2)高温下,黏土砖中重要成分SiO2、Al2O3易与液态烟尘渣反应而溶解到渣中。液态烟尘渣对氮化硅结合碳化硅砖的润湿性较差,熔渣很难渗透到砖中;但氮化硅结合碳化硅砖在高温下容易发生氧化,氧化产物Si O2很容易与烟尘渣反应而溶解。液态烟尘渣虽然能渗透到镁铬砖中,但镁铬砖中主要成分方镁石和镁铬尖晶石不容易与烟尘渣发生反应。