ZrO_2微粉加入量对刚玉-尖晶石浇注料性能的影响

为了进一步提高刚玉-尖晶石浇注料的高温使用性能,以粒度为6~3、3~1和≤1 mm的板状刚玉颗粒为骨料,d_(50)=10μm的尖晶石微粉、d_(50)=2.56μm的氧化铝微粉、≤0.044 mm的板状刚玉粉、d50=42.00μm的ZrO_2微粉为细粉,铝酸盐水泥为结合剂,按骨料与粉料质量比为68∶32进行配料,研究了ZrO_2微粉加入量(w)分别为0、3%、6%和9%时对刚玉-尖晶石浇注料常温物理性能、高温抗折强度和抗渣性能的影响,并结合XRD、SEM等对其物相和显微结构进行分析。结果表明:1)试样经1 600℃高温处理后,随着ZrO_2微粉加入量的增大,由于ZrO_2发生相变和生成CaZrO_3,使得线变化率和显气孔率增大,结构变得疏松,常温强度降低;2)ZrO_2的加入提高了试样的高温抗折强度,部分缘于生成Ca Zr O3使结构变得致密,部分缘于相变增韧;但随着ZrO_2微粉加入量增大,抗折强度又略有降低;3)ZrO_2的加入,提高了试样的抗渣性能,主要原因在于ZrO_2与钢渣中的CaO反应生成CaZrO_3,阻止了钢渣的进一步侵蚀与渗透。在本试验条件下,ZrO_2最佳引入量为3%(w)。     

添加剂对合成CA_6性能和显微结构的影响

为了合成更致密的六铝酸钙材料,以86%(w)的α-Al_2O_3微粉(d_(50)=3.64μm,分析纯)和14%(w)的碳酸钙(d_(50)=5.24μm,分析纯)为原料,聚乙烯醇(PVA)为结合剂,分别外加5%(w)的化学纯TiO_2、Y_2O_3、ZrO_2为添加剂,经配料、混练、成型、烘干后,于1 550℃保温3 h煅烧,研究了不同添加剂对合成CA_6材料体积密度、显气孔率、常温耐压强度、物相组成和显微结构的影响。结果表明:1)在合成CA_6时加入TiO_2添加剂,生成新物相CaTiO_3,有α-Al_2O_3相剩余,能够明显地促进试样的烧结,降低显气孔率,增加体积密度,并且显著增加试样的常温耐压强度;2)在合成CA_6时加入Y_2O_3添加剂,烧后试样的主要物相为CA_6和Al_5Y_3O_(12)。Al_5Y_3O_(12)虽然是高熔点相,但是其对材料的常温物理性能并没有影响。3)在合成CA_6时加入ZrO_2添加剂,烧后试样主要物相为CA_6和ZrO_2相,ZrO_2并没有提高试样的致密性。     

CaZrO_3的合成及其高温化学稳定性研究

首先以CaO粉、CaCO_3粉、Ca(OH)_2粉为钙源,以纳米级m-ZrO_2粉、微米级m-ZrO_2粉、微米级CaO部分稳定ZrO_2粉(Ca-PSZ)为锆源,采用高温固相反应法合成了CaZrO_3粉,研究CaZrO_3合成过程中试样的相组成随煅烧温度(800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500和1 600℃)与保温时间(3、4和5 h)的变化,以探讨其合成机制;然后将合成的CaZrO_3分别与CaO、MgO、Al_2O_3、Cr_2O_3、SiO_2、ZrO_2粉制成试样在1 500℃保温3 h煅烧,以研究CaZrO_3在不同反应介质中的高温化学稳定性。结果表明:在CaZrO_3合成过程中,CaZrO_3含量并非始终随煅烧温度升高或保温时间延长而增加,期间存在源于CaZrO_3中的Ca~(2+)、O~(2-)离子向m-ZrO_2或c-ZrO_2中扩散而发生的CaZrO_3分解反应。高温下,当CaZrO_3处于碱性(如CaO、MgO)环境中,其高温化学性质稳定;而当CaZrO_3处于非碱性(如Al_2O_3、Cr_2O_3、SiO_2、ZrO_2)环境中,其高温化学性质不稳定。     

添加ZrO_2粉对刚玉-钛酸铝复合材料抗渣性的影响

为提高刚玉-Al_2TiO_5复合材料的抗渣性,以α-Al2O3微粉、板状刚玉和TiO_2为主要原料,ZrO_2粉为添加剂,MgO为稳定剂,经1560℃保温4h烧成制备了刚玉-Al_2TiO_5复合材料,并研究了ZrO_2粉添加量(外加质量分数分别为0、2%、4%、6%、8%和10%)对试样抗渣性的影响。结果表明:ZrO_2粉的加入明显提高了刚玉-Al2TiO5复合材料的抗渣渗透性,未添加ZrO_2粉时,渗透深度为20mm,添加2%~10%(w)ZrO_2粉时,渗透深度基本不变,为6mm;添加4%(w)ZrO_2粉的试样抗渣侵蚀性最好。     

添加CaZrO_3或ZrO_2+CaCO_3对再生镁质浇注料性能的影响

基于选用添加剂改善再生镁质耐火材料使用性能的设想,以粒度为5~3和3~1 mm的用后MgO-C钢包内衬砖再生颗粒料,5~3、3~1、1和0.074 mm的MS-95烧结镁砂为主要原料,硅灰为结合剂,三聚磷酸钠为分散剂制备的再生镁质浇注料,研究了分别添加质量分数为0、5%、9%和13%的CaZrO_3或ZrO_2+CaCO_3对不同温度处理后试样性能、物相组成和显微结构的影响的影响。结果表明:随着添加CaZrO_3或ZrO_2+CaCO_3用量的增加,110℃保温24 h和1 000℃保温3 h热处理后试样的线收缩率、显气孔率分别呈现出无明显变化和增大的趋势;1 500℃保温3 h烧后试样的线收缩率、显气孔率和常温抗折强度分别呈现出增大、减小和先增大后减小的趋势。CaZrO_3提高试样的抗钢渣侵蚀性,ZrO_2+CaCO_3降低试样的抗钢渣侵蚀性。与ZrO_2+CaCO_3相比,适量的CaZrO_3可明显提高再生镁质浇注料试样的烧结性能和抗钢渣侵蚀性。引入13%(w)的CaZrO_3,可获得烧结性能和抗钢渣侵蚀性能良好的再生镁质浇注料。在高温且含有SiO_2、MgO及Mg_2SiO_4的条件下,CaZrO_3不能稳定存在;经Mg2+、Si4+与Ca2+、Zr4+间的互扩散可反应形成c-ZrO_2和CaMgSiO_4,CaMgSiO_4相多分布于MgO相和c-ZrO_2相之间。     

原料种类与煅烧温度对合成CaZrO_3粉体的影响

为了探讨采用高温固相反应法合成CaZrO_3粉体的适宜工艺条件,以CaO、Ca(OH)_2和CaCO_3粉为钙源原料,以纳米级ZrO_2(简称nm-ZrO_2)、微米级ZrO_2(简称μm-ZrO_2)和CaO部分稳定ZrO_2(简称Ca-PSZ)粉为锆源原料,按照n(CaO)n(ZrO_2)=1 1分别组合配料,经混合、压制成型后,采用固相反应法分别在800、900、1 000、1 100和1 300℃保温3 h煅烧合成CaZrO_3粉体,探讨了原料种类及煅烧温度对CaZrO_3合成率的影响。结果表明:有利于CaZrO_3合成的钙源优势顺序(从优到劣)为CaO、Ca(OH)_2、CaCO_3,有利于CaZrO_3合成的锆源优势顺序为nm-ZrO_2、μm-ZrO_2、Ca-PSZ;以nm-ZrO_2、μm-ZrO_2和Ca-PSZ为锆源的试样中,其CaZrO_3含量迅速增加的温度区间分别主要发生在800~1 000℃、900~1 100℃和1 000~1 300℃;以CaO和纳米级ZrO_2为原料,在1 000℃保温3 h的条件下即可合成出纯度较高的CaZrO_3粉体。     

三种CaO-MgO料与锆英石的反应烧结性能研究

为了以Zr SiO4替代Zr O2制备MgO-CaZrO_3-Ca_2SiO_4材料,将白云石、轻烧白云石和消化后的轻烧白云石3种MgO-CaO料分别与锆英石按n(CaO)∶n(SiO2)=3配制成混合料,进行TG-DSC分析,成型后分别在900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500和1 600℃保温3 h制成MgO-CaZrO_3-Ca2Si O4试样,然后分析烧后试样的线变化率、显气孔率、体积密度、物相组成和显微结构。结果表明:1)白云石-锆英石、轻烧白云石-锆英石和消化后轻烧白云石-锆英石三种混合料的TG-DSC曲线中,CaZrO_3放热峰出现的温度分别为1 148、1 087和1 099℃,以轻烧白云石-锆英石的最低,白云石-锆英石的最高。2)白云石-锆英石、轻烧白云石-锆英石和消化后轻烧白云石-锆英石烧后试样中Zr SiO4衍射峰消失的温度分别为1 300、1 200和1 300℃,以轻烧白云石-锆英石试样的最低。3)分别从1 300、1 200和1 300℃开始,白云石-锆英石、轻烧白云石-锆英石和消化后轻烧白云石-锆英石烧后试样均由MgO、CaZrO_3和Ca_2SiO_4组成。4)与白云石-锆英石和消化后轻烧白云石-锆英石相比,轻烧白云石-锆英石由于灼减较少,烧失后试样颗粒之间接触更紧密,反应更容易进行。     

合成CaTiO_3粉加入量对烧结镁砖性能的影响

为进一步提高MgO质耐火材料的性能,首先以w(CaCO_3)≥99%的分析纯碳酸钙和w(TiO_2)=95%的钛白粉(锐钛矿型)为原料,于1 550℃保温2.5 h下煅烧合成了钛酸钙,并将其破粉碎磨成粒度≤0.076 mm的细粉,然后以烧结镁砂(3~1、≤1和0.088 mm)为原料,外加纸浆废液作为结合剂,并加入合成的CaTiO_3细粉(质量分数分别为0、1%、3%、5%、7%和9%)替代镁砂细粉,经配料,成型和1 580℃保温4 h烧成后,制备了烧结镁砖试样。研究了CaTiO_3粉代替部分烧结镁砂细粉对镁砖性能及显微结构的影响。结果表明:加入适量CaTiO_3粉可以提高镁砖的体积密度、常温耐压强度,降低显气孔率;加入CaTiO_3的镁砖的抗热震性得到改善,CaTiO_3粉加入量为7%(w)时最佳;随着CaTiO_3粉加入量的增大,镁砖荷重软化开始温度先提高后降低,当CaTiO_3粉加入量为1%(w)时最高;加入CaTiO_3粉使镁砖的抗渣渗透性变差。     

以氢氧化钙为钙源高温煅烧合成钛酸钙

为探究以氢氧化钙为钙源高温固相反应合成钛酸钙的工艺条件,以分析纯Ca(OH)_2粉和钛白粉(锐钛矿)为原料,按n(CaO)∶n(TiO_2)分别为1、1.1、1.2、1.3和1.4配料,经成型、干燥后,分别在1500、1550、1600、1650和1700℃保温2.5h煅烧合成钛酸钙。检测烧后试样的体积密度和显气孔率,并利用XRD和SEM分析物相组成和显微结构。结果表明:1)n(CaO)∶n(TiO_2)=1时,在不同煅烧温度下均合成出了无杂相的稳定CaTiO_3相;但随着钙钛比和煅烧温度的提高,稳定的CaTiO3相逐渐转变成不稳定的Ca3Ti2O7和Ca4Ti3O10相,对合成材料的显微结构和物相组成影响较大;达到1700℃时,不稳定钛酸钙相均又全部转变成稳定的CaTiO3相。2)随着煅烧温度从1500℃升高到1650℃,合成钛酸钙材料的致密性逐渐变差。3)以氢氧化钙为钙源固相法合成钛酸钙时,煅烧温度控制在1500℃(保温2.5h)时,n(CaO)∶n(TiO_2)=1为适宜的合成条件。     

Zr(OH)_4添加量及煅烧温度对CaO砂烧结与抗水化性能的影响

为了获得高致密度、低气孔率和抗水化性能良好的CaO砂,以活性石灰(≤20 mm)为主要原料,分析纯Zr(OH)_4(w(Zr(OH)_4)97%,d50=15.68μm)为添加剂,研究了Zr(OH)_4添加量(w)为0、0.5%、1%、2%、3%和5%及煅烧温度为1 450、1 550和1 650℃时对CaO砂烧结性能和抗水化性能的影响。用煮沸法测试试样的抗水化性能,采用XRD进行物相组成分析,采用SEM分析试样的显微结构。结果表明:1)添加0.5%(w)Zr(OH)_4的烧后试样的显气孔率较低,体积密度较大,水化质量增加率与粉化率较低,抗水化性能较好。2)CaZrO_3的生成降低了游离CaO的数量。Zr(OH)_4加入量较少时,CaZrO_3产生7%~8%的体积膨胀,降低了显气孔率,提高了体积密度,促进了晶粒的生长,从而提高了抗水化性能。但是生成量过多反而会抑制CaO晶粒的生长,且导致试样结构疏松,对抗水化性能不利。3)CaZrO_3主要分布在CaO的晶界与晶粒中,添加0.5%(w)Zr(OH)_4的试样在1 450、1 550和1 650℃煅烧后的晶粒尺寸分别为42.7、65.5和68.6μm。当煅烧温度增加到1 550℃时已经达到较大的晶粒尺寸,且其体积密度也达到了CaO理论密度的94.6%,继续提高温度对晶粒尺寸及体积密度的增加影响不大。     

单斜ZrO_2加入量对CaO材料性能的影响

为了改善电熔CaO材料的抗热震性能和抗水化性能,以电熔CaO(5～3、3～1、≤1和≤0. 074 mm)为原料,单斜ZrO_2(≤0. 074 mm)为添加剂,热固性酚醛树脂为结合剂,经配料、成型、烘干、1 600℃热处理3 h后,制备了CaO材料。研究了单斜ZrO_2加入量(w)分别为0、5%、10%、15%时对CaO材料的抗热震性能和显微结构的影响。结果表明:添加单斜ZrO_2可以有效提高CaO材料的抗热震性能;随着单斜ZrO_2加入量的增加,试样的抗热震性能提高;综合考虑材料力学性能和抗热震性能,单斜ZrO_2加入量(w)为10%时最合适;加入单斜ZrO_2可以显著提高试样的抗水化性能,添加量为10%(w)时,试样的抗水化性能最好。     

添加Er_2O_3及煅烧温度对固相反应制备CaTiO_3材料的影响

为提高合成CaTiO_3材料的烧结性能,以分析纯的CaO和TiO_2为原料,以Er_2O_3为添加剂,按照CaO、TiO_2反应的化学计量比配料,在混合粉末中分别外加质量分数1%、2%、3%和4%的Er_2O_3进行球磨混合,通过固相反应烧结法合成钛酸钙材料。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪分别对试样的物相组成、显微形貌及组成进行了分析表征。用衍射仪配套软件X’Pert High Score Plus计算钛酸钙晶胞参数,分析了离子间取代行为和晶胞体积变化的关系。结果表明:伴随Er_2O_3的少量添加,Er3+与Ti4+之间优先发生置换反应,致使CaTiO_3的晶胞结构发生畸变,晶胞体积增大。当进一步提高Er_2O_3添加量时,取代反应在Er3+与Ca2+之间发生,CaTiO_3晶胞发生收缩,晶胞体积呈减小趋势。Er_2O_3与CaTiO_3的固溶造成的晶格畸变促进了离子间的扩散,加速了固相反应烧结,造成的结构缺陷促进了CaTiO_3晶粒的生长。同时,随着煅烧温度的升高,结构中热缺陷数量增多,提高了钛酸钙材料的烧结性能。     

水菱镁石制备轻烧MgO粉的煅烧工艺研究

以粒度3～5 mm的水菱镁石为原料,研究了煅烧温度(600、700、800、900和1 000℃)和保温时间(2、3、4和5 h)对轻烧MgO粉活性和热选(分别过孔径0.425、0.150和0.074 mm筛)降CaO率的影响。结果表明:1)轻烧MgO粉的活性随煅烧温度的升高及保温时间的延长均呈先增大后减小的变化趋势,拐点分别为800℃和3 h。2)热选降CaO率随煅烧温度的升高呈先减小后增大的变化趋势,拐点为800℃;随保温时间的延长呈先增大后减小的变化趋势,拐点为3 h;筛孔孔径越大,热选降CaO率越高。3)水菱镁石制备轻烧MgO粉的最佳工艺参数是900℃保温3 h煅烧,然后过0.425 mm筛热选。     

添加ZrO_2或Y_2O_3对氧化镁高温真空稳定性的影响

为提高氧化镁在高温真空环境下的稳定性,在粒度≤0.074 mm、w(Mg O)=98.70%的轻烧氧化镁粉中分别外加质量分数为0、0.5%、1%和2%的Zr O2或Y2O3后,混合、成型的试样经1 750℃保温6 h煅烧。将煅烧后试样在真空度为1.5×10-2Pa、于1 600℃保温1 h的条件下进行真空稳定性试验,然后对试样的质量损失、物相组成进行分析,并进行晶体学计算。结果表明:添加Zr O2或Y2O3可引起氧化镁的晶格畸变,Zr4+、Y3+部分取代Mg O晶格中Mg2+位置,形成晶格畸变,同时产生阳离子空位,对周围原子起到束缚作用,降低了原子振动频率,从而减少逸散原子的数量,提高了氧化镁在高温真空条件下的稳定性。     

Sc2O3加入量对菱镁矿制备镁砂性能的影响

为改善烧结镁砂性能,以菱镁矿经900℃煅烧后的轻烧氧化镁粉为主要原料,引入Sc₂O₃作为添加剂,经1 600℃煅烧3 h得到烧结镁砂试样。研究Sc₂O₃添加量(质量分数分别为0、1%、2%、3%和4%)对试样致密度、物相组成及显微结构的影响。结果表明：Sc₂O₃会固溶进入MgO晶粒并引起MgO晶格畸变,起到了活化晶格促进烧结的作用;同时Sc₂O₃会与镁砂中杂质成分CaO发生反应,在方镁石晶间生成高熔点的CaSc₂O₄相。因此,添加Sc₂O₃提高了试样致密度,当加入3%(w)时,致密性最好。     

钾长石含量对硬质粘土烧结的影响

以硬质粘土粉(w(Al2O3)>38%,粒度为0.002～0.11mm)和钾长石粉(w(K2O Na2O)=13.13%,粒度为0.005～0.11mm)为原料,配制成钾长石粉加入量分别为0、3.76%、5.30%和6.84%的试料(对应的w(K2O Na2O)分别为0.11%、0.6%、0.8%和1.0%),湿磨2h,烘干后以150MPa压力压制成20mm×10mm的试样,然后在1500～1600℃煅烧3h。对煅烧后试样进行了物理性能检测、物相分析和显微结构分析,以研究钾长石含量对粘土烧结的影响。结果表明:钾长石粉加入前后试样的烧结温度分别为1550℃和1500℃;加入钾长石能消除粘土原料煅烧过程中形成的方石英相,使烧成试样中只出现莫来石晶相;加入3.76%～6.84%钾长石粉的试样中莫来石含量达61%～66%,并且莫来石发育较好,呈针状,长度达8μm,直径约0.5μm。     

添加TiO_2对反应烧结制备SiAlON的影响

为探讨TiO_2作为助烧结剂制备β-SiAlON的可行性,以粒度均为0.074 mm的金属Al粉、单质Si粉、α-Al_2O_3粉为主要原料,以无水乙醇为介质球磨12 h后,将经60℃干燥12 h后的粉料以乙二醇和酚醛树脂为结合剂混合均匀成型,在管式氮化炉中分别经1 350、1 400、1 450、1 500和1 550℃保温3 h高温氮化制备β-SiAlON陶瓷,研究了烧成温度和添加TiO_2对β-SiAlON陶瓷烧结性能的影响。借助XRD分析试样中晶相组成和晶胞参数,采用SEM及EDS对试样的微观形貌进行分析与观察。结果表明:高温氮化制备β-SiAlON的过程中,添加4%(w)的TiO_2可以降低氮化烧结温度,增加β-SiAlON的生成量;TiO_2的加入在较低温阶段可以促进Al_2O_3在Si_3N_4中的固溶,高温阶段则形成液相有利于β-SiAlON的致密化烧结。     

钛酸钙加入量对MgO-CaO材料性能的影响

为了提高MgO-CaO砖在AOD炉中的使用寿命,以w(CaO)=20%的镁钙砂颗粒(粒度8~5、5~2、≤2 mm)和细粉(≤0.074 mm)为主要原料,石蜡为结合剂,添加w(CaTiO_3)=93%的钛酸钙细粉(≤0.074 mm,质量分数分别为0、2%、4%、6%、8%、10%、12%和14%),在液压机上以450 MPa压力压制成50 mm×55 mm的圆柱试样,在高温试验电炉中于1 500℃保温2 h烧成后,检测试样的显气孔率、体积密度、烧后线变化率、抗热震性能和抗渣性能。结果表明:随着钛酸钙细粉加入量的增加,试样的致密度、烧后线收缩率、常温耐压强度和抗热震性能等基本上都呈先增大后减小的变化趋势,拐点均在钛酸钙细粉加入量为8%(w)处;抗渣性能以钛酸钙加入质量分数为6%、8%的试样为最好。     

添加物对镁钙材料抗水化性能的影响

为了提高烧结镁钙材料的抗水化性,在轻烧白云石粉中分别单一添加α-Al_2O_3粉(质量分数分别为10%、20%、30%、40%、50%)或Fe_2O_3粉(质量分数分别为2%、4%、6%、8%)以及复合添加Fe_2O_3粉+α-Al_2O_3粉(质量分数分别为10%+8%、10%+2%)或Fe_2O_3粉+α-Al_2O_3粉+ZrO_2粉(质量分数分别为1.2%+12%+5%、1.2%+12%+10%),研究了单一和复合添加α-Al_2O_3、Fe_2O_3和Zr O2对不同温度(1 350~1 600℃)保温2 h烧后试样抗水化性能的影响。结果表明:单一添加Fe_2O_3时,随着Fe_2O_3含量的增加,水化质量增加率显著减小,温度的影响并不明显。单一添加α-Al_2O_3时,随着α-Al_2O_3含量的增加,水化质量增加率呈下降的趋势,升高温度,水化质量增加率逐渐下降。复合添加Fe_2O_3+α-Al_2O_3以及Fe_2O_3+α-Al_2O_3+ZrO_2时,生成的化合物和固溶体一方面减少了游离CaO的数量,另一方面加速了烧结致密化过程,阻碍了水蒸气向颗粒内部的扩散,能更有效地提高镁钙材料的抗水化性能,因此对白云石的抗水化性能优于单一添加物的。     

煅烧温度对MgO-CaO-SiO_2材料性能的影响

为了提高MgO-CaO耐火材料的抗水化性能,在白云石粉(≤0.037 4 mm)掺加10%(w)的石英粉(≤0.045 mm)合成MgO-CaO-SiO2耐火材料,并着重探究了煅烧温度分别为1 400、1 500、1 600、1 650℃时对MgO-CaO-SiO2耐火材料致密性及抗水化性能的影响。结果表明:随着煅烧温度的升高,试样的致密度增大,抗水化性增强,但煅烧温度达到1 650℃时出现过烧现象;在煅烧过程中,SiO2与CaO反应生成了3CaO·SiO2,但仍有游离态CaO存在,可净化钢液。