原位合成锆酸钙对镁锆材料性能的影响.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()辽宁科技大学大学生创新创业训练计划项目()作者简介:谷安琦()本科 .通讯作者:吴 锋 博士/副教授 .原位合成锆酸钙对镁锆材料性能的影响谷安琦 郑胜利 金梓萱 曹钟月 雷 鑫 吴 锋(辽宁科技大学材料与冶金学院)摘 要 为了研究原位合成锆酸钙对镁锆材料性能的影响 将碳酸钙和脱硅锆(合计加入量分别为、和)与电熔镁砂混合、成型、烘干后 分别于 、保温 煅烧 检测烧后试样的体积密度、显气孔率、烧后线变化率、常温耐压强度、抗热震性、抗渣性 并分析试样的物相组成 结果表明:在同一煅烧温度时 随着锆钙合量增加 烧后试样的体积密度和常温耐压强度逐渐减小 显气孔率和线收缩率逐渐增大 在同一锆钙合量时 随着锻烧温度的升高 烧后试样的体积密度、线收缩率和常温耐压强度逐渐增大 显气孔率逐渐降低 当煅烧温度为 、锆钙合量为 时 试样的抗热震性最好 当煅烧温度为 、锆钙合量为 时 试样的抗渣性最优关键词原位合成 锆酸钙 镁锆材料文献标识码:文章编号:()()().世纪 年代以前 镁铬砖一直广泛应用于水泥回转窑的烧成带和过渡带 然而在回转窑内的氧化气氛中三价的铬离子 被氧化成六价的铬离子 在硫酸盐的侵蚀下进一步形成了水溶性的、能毒害人畜并能致癌的六价 冶 金 能 源 铬盐化合物 通过水泥窑的废气和粉尘排放 影响人类生命安全的同时造成了不可逆的环境污染 发达国家通过立法限制了镁铬耐火材料的使用 我国也有相关规定 在这样的背景下 开发新的不含铬元素的高温耐火材料以适应这种水泥窑炉耐火材料无铬化的趋势十分必要镁锆材料是一种广泛应用于冶金、化工和玻璃等行业的耐火材料 传统的镁锆材料在高温下存在强度低、抗渗透性差等问题 限制了其在极端工作环境下的应用 为了提高镁锆材料的性能 研究人员开始探索添加不同的添加剂和改性方法 锆酸钙具有优异的耐高温性、抗渣性和抗热震性 在制备高温功能材料方面具有非常好的应用前景 的引入方式一般有两种 一种是加入预合成 原料 但是成本较高 另一种是通过加入含 和 的原料 在镁锆砖煅烧过程中原位合成的方式引入 有望提高镁锆材料各项性能 原位合成对镁锆材料性能影响的报道较少 因此 试验利用脱硅锆和碳酸钙在煅烧过程中原位合成锆酸钙的方法制备镁锆材料 并考察了碳酸钙和脱硅锆合计加入量及煅烧温度对镁锆材料性能的影响 试验 原料以电熔镁砂、脱硅锆和分析纯碳酸钙为原料 其化学组成见表 表 原料的化学组成原料脱硅锆 电熔镁砂 试样制备以不同粒径电熔镁砂、脱硅锆和分析纯碳酸钙为原料 纸浆废液为结合剂 以分析纯碳酸钙与脱硅锆的合计加入量(简称:锆钙合量)分别为、和 设计试验配方 试验方案见表 将原料混合 后 再加入 的纸浆废液搅拌 以 压力压制成 、的圆柱试样和 的长条试样 在干燥箱中将试样于 保温 烘干后 分别在、保温 然后随炉自然冷却至室温表 试验方案试样电熔镁砂占比 脱硅锆()占比分析纯碳酸钙()占比纸浆废液占比 性能检测按照/检测烧后试样的线变化率/检测烧后试样的显气孔率和体积密度/检测烧后试样的常温抗折强度/检测烧后试样的常温耐压强度/用空气急冷法检测烧后试样的抗热震性 采用 型 射线衍射仪分析烧后试样的物相组成 具体是将烧后试样在 空冷条件下热震 次 然后检测常温抗折强度 计算热震 次后的常温抗折强度保持率 以其表征抗热震性按照/用静态坩埚法检测烧后试样的抗渣性 具体是先将 试样钻出内径 、深度 的坩埚 向坩埚内 放 入 炉 渣(化 学 组 成:)将装渣的坩埚放入高温冶 金 能 源 炉中于 保温 然后随炉冷却至室温将坩埚沿纵向切开观察侵蚀情况 实验结果分析 物相分析不同温度烧后试样的 图谱如图 所示除主要物相方镁石外 与 原位合成了 另有少量四方氧化锆()随着锆钙合量的增加 的衍射峰强度增加 表明原位合成的 量增加图 试样经不同温度烧后的 图谱 烧结性能锆钙合量对烧后试样的体积密度、显气孔率和线收缩率的影响 如图 所示 煅烧温度一定时 随着锆钙合量增加 体积密度逐渐减小 显气孔率逐渐增大 烧后线收缩率增大 锆钙合量一定时 随着煅烧温度升高 体积密度逐渐增大 显气孔率逐渐降低 烧后线收缩率增大 分析认为:试样采用的原料中存在、和 等杂质 随着煅烧温度升高 形成的液相促进了烧结和试样的致密化 提高了试样的体积密度 降低了试样的显气孔率 线收缩率增大 另外 由于碳酸钙在煅烧过程中产生 随着锆钙合量增加 碳酸钙的量增多 产生较多的 导致试样的体积密度减小 显气孔率增大 而试样中氧化锆在煅烧过程中由 转化为 发生较大的体积收缩 因此 随着锆钙合量的增加 试样的线收缩率增大图 锆钙合量对烧后试样体积密度、显气孔率、线收缩率的影响锆钙合量对烧后试样的常温耐压强度的影响 如图 所示 煅烧温度一定时 随着锆钙合量的增加 试样的常温耐压强度逐渐减小 锆钙合量一定时 随着煅烧温度的升高 试样的常温耐压强度增大幅度提高 分析认为:和反应原位合成的 伴有较大的体积膨胀 并 且 随 着 锆 钙 合 量 的 增 加 生 成 的 冶 金 能 源 增多 减少了颗粒间的直接接触 阻碍了离子间的相互扩散 影响传质过程的进行从而烧结程度降低 导致试样致密度减小 强度减小 而煅烧温度的升高 促进了试样的烧结和致密化 使得试样的常温耐压强度增大图 锆钙合量对烧后试样常温耐压强度的影响 抗热震性锆钙合量对烧后试样经 热震 次后残余强度保持率的影响 如图 所示 随着锆钙合量和煅烧温度的升高 试样的强度保持率明显降低 分析认为:随着锆钙合量的增加 产生较多气孔 材料致密度下降 原位合成 产生的体积膨胀使试样出现较多裂纹 导致材料的力学性能下降 抗热震性降低 而煅烧温度的升高 试样产生较多低熔点相 降低了试样的抗热震性图 锆钙合量对烧后试样抗热震性的影响 抗渣性通过静态坩埚法检测烧后试样的抗渣性 以熔渣渗透深度表征试样抗渗透情况 扩孔率表征试样的抗侵蚀性 图 为锆钙合量与烧后试样渗透深度和扩孔率的关系 同一煅烧温度时 随着锆钙合量增加 试样的熔渣渗透深度和扩孔率逐渐增加 因为 与 反应生成高熔点化合物 的产生带来较大的体积膨胀降低了试样的致密度 为熔渣的渗透提供了通道 导致抗渣性降低 当锆钙合量为 时试样的抗渣效果较好 而锆钙合量相同时 随着煅烧温度升高 试样烧结程度和致密度升高 熔渣渗透深度和扩孔率都有所降低 抗渣性提高图 烧后试样的抗渣性 结论()不同温度煅烧后试样的主晶相为方镁石 次晶相为原位合成的 另外还存在少量 ()在同一煅烧温度时 随着锆钙合量的增加 烧后试样的体积密度和常温耐压强度逐渐减小 显气孔率和线收缩率逐渐增大 在同一加入量时 随着温度的升高 烧后试样的体积密度、线收缩率和常温耐压强度逐渐增大 显气孔率逐渐降低 烧结性提高()当煅烧温度为 锆钙合量为时 试样的抗热震性最好冶 金 能 源 ()原位合成的 致密层可以有效地提高试样的抗渣性 但是过多的 带来的体积膨胀会降低试样的致密程度 降低试样的抗渣性 当煅烧温度为 锆钙合量为时 试样的抗渣性最优参考文献 聂建华 王继宝 曹锟 等 镁锆质耐火材料的性能研究.武汉科技大学学报 ():郭玉香 栾舰 田凤仁 锆英石对镁砂烧结性及其制品性能的影响.耐火材料 ():朱伯铨 李楠 甘菲芳 等 电熔镁锆合成料的组成对显微结 构 和 性 能 的 影 响 .耐 火 材 料 ():涂军波 张文杰 汪厚植 等 烧结合成镁锆熟料的研究.耐火材料 ():.():.():王健东 葛昌纯 沈卫平 脱硅氧化锆对 材 料 性 能 的 影 响 .冶 金 能 源 ():潘波 王健东 孙加林 等 电熔镁钙砂的加入方式对 砖抗渣性能的影响.冶金能源 ():潘波 尹国祥 王健东 等 低钙电熔镁钙砂与高钙烧结镁钙砂制备的 砖抗渣性对比.耐火材料 ():陈树江 李国华 刘艳 等 炉用高钙镁钙砖研究.冶金能源 ():李纪伟 周宁生 白宏宇 等 含量对镁锆不烧砖性能的影响.耐火材料 ():陈肇友 李红霞 镁资源的综合利用及镁质耐火材料的发展.耐火材料 ():张芸 添加剂对烧成镁钙砖烧结性能的影响.冶金能源 ():杜涛 于绍文 孟洪君 耐火材料的发展趋势和新技术.冶金能源 ():王来稳 杨彬 张立明 和结合剂对烧成镁钙砖烧结性能的影响.冶金能源 ():万 雪编辑(上接第 页).:.:.():刘朝阳 于景坤 袁磊 等 外加电流对钢中夹杂物影响的研究进展.中国冶金 ():张邦文 任忠鸣 邓康 等 直流电对金属液电磁净化的影响.计算物理():张邦文 任忠鸣 钟云波 等 金属液单电流电磁净化的理论分析.包头钢铁学院学报():.().:赵 艳编辑 冶 金 能 源