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        耐火材料輕量化的研究進展
        來源: | 作者:207huailin | 發布時間: 2020-03-14 | 484 次瀏覽 | 分享到:
        引入輕量化骨料是實現窯襯耐火材料輕量化的主要途徑。輕量骨料是指在致密骨料的制備過程中,引入適當含量的氣孔,合理提高骨料部分的氣孔率,在不顯著改變骨料整體性能的前提下,降低其導熱系數。

        引入輕量化骨料是實現窯襯耐火材料輕量化的主要途徑。輕量骨料是指在致密骨料的制備過程中,引入適當含量的氣孔,合理提高骨料部分的氣孔率,在不顯著改變骨料整體性能的前提下,降低其導熱系數。輕量骨料被致密的基質部分包裹后降低了耐火材料整體的體積密度,既保證了耐火材料整體導熱系數降低的同時又不會犧牲其他各項性能,因此受到了科研工作者的廣泛關注。目前針對輕量骨料的制備技術以及相關性能研究已有報道。


        輕量骨料的制備方法與多孔陶瓷的較為類似,目前通過添加造孔劑法、凝膠注模法以及原位分解法等方法制備輕量骨料都已被文獻報道。通過在致密骨料中引入少量氣孔并對輕量骨料的氣孔結構參數如孔徑、閉氣孔率等進行優化,可以實現輕量骨料的多想優異性能。目前輕量剛玉骨料以及輕量方鎂石-尖晶石骨料得到了最為廣泛的研究。武漢科技大學顧華志教授課題組以有機物為造孔劑,采用凝膠注模法制備了總氣孔率為21.4%、閉氣孔率為12.3%、平均孔徑在0.3~0.5  μm的輕量微孔剛玉骨料。將輕量微孔剛玉骨料引入到剛玉-尖晶石澆注料中與含板狀剛玉的剛玉-尖晶石澆注料進行對比,發現輕量骨料降低了澆注料的導熱系數。從板狀剛玉和微孔剛玉顯微結構的對比可以看出(圖1),板狀剛玉中氣孔分布不均勻,氣孔尺寸大小不一,氣孔形狀為狹長型。輕量微孔剛玉骨料內部氣孔分布均勻,氣孔形狀多為圓形孔。江蘇晶鑫高溫材料有限公司李正坤等成功開發了輕燒微孔氧化鋁骨料,體積密度為3.3~3.4 g/cm3,其導熱系數低于板狀剛玉并且展現出更優異的熱震穩定性。將輕燒氧化鋁引入到鋁鎂澆注料中替代常規燒結氧化鋁骨料,澆注料的導熱系數下降了10%。輕量剛玉的應用不僅降低了窯襯耐火材料整體的導熱系數,還避免了氣孔尖端的應力集中,增強了其熱震穩定性。輕量微孔剛玉骨料的引入成功的實現了鋼包用剛玉-尖晶石澆注料的輕量化。除了輕量剛玉骨料之外,河南科技大學周寧生等將具有多孔結構的輕燒鋁礬土骨料引入到Al2O3-SiO2澆注料中,探索了高鋁質澆注料輕量化的可行性。結果表明,采用部分輕燒礬土骨料替代致密骨料并未影響澆注料的整體性能。




        (a) 板狀剛玉;(b)輕量微孔剛玉


        盡管輕量骨料的應用降低了重質耐火材料整體的導熱系數,但由于氣孔率較致密骨料有所提高,因此如何在氣孔率提高的前提下保證骨料的抗侵蝕性能成為最近科研工作的重點。付綠平等首先對比研究了板狀剛玉與輕量微孔剛玉在高鈣渣中的侵蝕機理。結果表明,板狀剛玉遭受侵蝕后發現骨料內部有明顯滲透,并且在渣和骨料界面處發現有CA2和CA6形成;輕量微孔剛玉骨料經過侵蝕后,在骨料與渣之間形成一層致密“隔離層”。骨料的氣孔率以及孔徑會對其抗渣侵蝕行為產生影響。輕量微孔剛玉中的氣孔直徑較小,減緩了熔渣相骨料內部的滲透。為了更為深入的理解輕量微孔剛玉骨料在不同熔渣中的侵蝕行為,該學者隨后又建立了不同氣孔結構的剛玉骨料在熔渣中的溶解模型。根據模型計算以及實驗結果發現,剛玉組分相渣中溶解速率過快或者過慢都會導致剛玉在渣中的持續溶解。當溶解-沉淀過程達到平衡狀態時在渣-剛玉骨料界面處會形成一層隔離層,結果如圖2所示。氣孔直徑對剛玉骨料在渣中的溶解影響最大,氣孔直徑過大時則會加速溶解,而氣孔率對剛玉骨料的溶解影響有限。




        (a)溶解過程傳質模型;(b)不同氣孔直徑的輕量剛玉在渣中的溶解深度與侵蝕時間的關系


        除了煉鋼、煉鐵系統用到的輕量微孔剛玉以及微孔礬土之外,近些年輕量化的概念也在水泥回轉窯耐火材料中得到了應用。為了降低燒成帶方鎂石-尖晶石耐火材料的導熱系數,武漢科技大學李楠教授課題組以菱鎂礦和氫氧化鋁為原料,通過原位分解法制備了輕量MgO-Al2O3質骨料。菱鎂礦和氫氧化鋁分解后在其假相內部產生納米孔,菱鎂礦假相在燒成過程中發生晶粒重排、長大,致使納米孔消失,最終獲得微米級開口氣孔。該類輕量骨料氣孔率為42.1%~44.2%,常溫耐壓強度為51.1~52.0 MPa,平均孔徑為10.8~12.1 μm。為了驗證輕量方鎂石-尖晶石骨料的抗侵蝕性能,鄢文等以水泥熟料為侵蝕介質,考察了輕量方鎂石-尖晶石耐火材料在高溫下的侵蝕機理。結果表明,材料中尖晶石組分在水泥中的溶解速率大于方鎂石,在高溫下侵蝕界面的液相粘度增大有利于提高材料抵抗水泥侵蝕的能力。


        輕量骨料的應用對于工業窯爐的隔熱保溫性能以及工業的節能減排具有重要作用。與致密骨料相比,輕量耐火骨料顯微結構上的變化也使其服役性能發生了一系列的變化。盡管氣孔率的升高降低了骨料本身的導熱系數,但也同時降低了材料抵抗熔渣滲透與侵蝕的能力。因此目前的輕量骨料都是朝著微孔化的方向進行發展,以期降低渣在輕量骨料中的滲透。隨著低碳節能理念的推廣以及國家環保意識的增強,今后輕量骨料也必然會繼續優化自身顯微結構,向著超高微孔化、超高閉氣孔率的方向進行發展,以適應日益嚴苛的窯爐服役環境。


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