Refractories

为了探究垃圾焚烧炉炉衬材料对出口烟气温度的影响,采用有限元分析软件 ANSYS 的流体模块FLUENT对炉排炉两种不同水冷壁内衬材料(SiC挂砖+SiC自流料,SiC浇注料)的热传导进行了数值模拟研究,分析了炉衬材质和结构对炉排炉一通道出口烟气温度的影响,并进行了实际应用.结果表明:1)炉排炉水冷壁炉衬越厚,一通道出口烟温越高;炉衬厚度相同时,使用SiC浇注料炉衬的一通道出口烟温明显高于使用SiC挂砖+SiC自流料炉衬的.2)挂砖厚度不变时,自流料厚度越大,一通道出口烟气温度越高;炉衬总厚度不变时,挂砖越厚,一通道出口烟气温度越低;炉衬各工作层厚度固定时,一通道出口烟气温度随自流料热导率的升高而降低.实际应用效果显示,在相同的运行条件下,使用SiC挂砖+SiC自流料炉衬比使用SiC浇注料炉衬可使一通道出口烟温更低,余热锅炉热效率更高,抗结焦能力更强.

为提高煤气化炉用碳化硅-尖晶石复合材料的力学性能,以SiC 颗粒(≤2.5 mm)、尖晶石细粉(≤90 μm)、α-Al2O3 微粉(d50≈5 μm)和金属Al粉(≤74 μm)为主要原料,在氮气气氛中进行热处理,制备了SiC-MgAl2O4-Al复合材料.分析了200～1 600℃不同热处理温度对复合材料显微结构、物相组成和力学性能的影响.结果表明:1)当热处理温度大于 1 000℃时,复合材料中的Al开始逐渐反应生成Al-O-C-N晶须,可显著提升材料的力学性能.2)常温和热态抗折强度随着复合材料内Al-O-C-N晶须含量的增多和尺寸的增大而提高.通过调整热处理温度可调控材料内Al-O-C-N晶须的物相组成、含量和形貌等,从而实现对复合材料物相组成与显微结构的调控,提升材料的力学性能.

为制备隔热性能更好的高纯氧化锆空心球制品,分别以CaO稳定氧化锆空心球颗粒及细粉、Y2O3 稳定氧化锆空心球颗粒及细粉、CaO+Y2O3 复合稳定氧化锆空心球颗粒及细粉为主要原料,以工业级Y2O3 微粉为烧结助剂,以水溶性树脂为结合剂,采用振动加压成型,于 1 800℃保温6h烧成制备了含不同稳定剂的高纯氧化锆空心球制品.研究了稳定剂种类对这些制品性能的影响.结果表明:1)烧后各试样的物相主要为立方氧化锆;骨料与基质细粉都很好结合在一起,含CaO稳定剂试样的内部气孔相对狭长,呈相互贯通网络状,力学性能适中,抗热震性最优;含Y2O3 稳定剂试样的内部气孔大小不均、分散孤立,力学性能最差;含CaO+Y2O3 复合稳定剂试样的内部孔径更小、分布更均匀,致密化趋势明显,力学性能最优,但抗热震性最差.2)烧后试样的线膨胀率和热导率随温度升高均逐渐增大;在高温阶段,含CaO稳定剂试样的线膨胀率和热导率都最低.3)综合考虑,含CaO稳定剂试样的性能最佳.

研究了选自 3 个不同厂家对应服役寿命分别为 30、50、80 次的 3 种重结晶碳化硅拱砖在 1 000℃饱和水蒸气中保温 500 h的氧化行为,检测其氧化后的质量变化率和体积变化率,分析氧化前后的物相组成和显微结构,并和现场服役寿命进行关联.结果表明:1)饱和水蒸气氧化条件下,重结晶程度最好的碳化硅氧化后质量变化率和体积变化率均最小,现场服役寿命也最长;2)在满足成型性能的前提下,尽可能多引入合适临界粒径的碳化硅,保证在足够广的范围内形成蒸发-凝聚传质,形成更多的重结晶网络,来获得更好的抗氧化性和更长的服役寿命.

以电熔镁铝尖晶石为主要原料并加入少量烧结刚玉细粉部分替代尖晶石细粉,或以白刚玉为主要原料并加入少量电熔镁铝尖晶石细粉替代白刚玉细粉,制备了两组MA-Al2O3 材料.研究刚玉与镁铝尖晶石之间的固溶反应对材料性能及显微结构的影响.结果表明:1)在两组材料中均发生了固溶反应,使得镁铝尖晶石的富铝程度增大,镁铝尖晶石中的氧化铝含量(w)由约 76％增加到 80％以上,从而加强了试样骨料与基质的结合,减少结构缺陷,改善了材料的高温性能;2)在以镁铝尖晶石为主要原料的 MA-Al2O3材料中,加入烧结刚玉可使其常温耐压强度增大,改善其高温抗蠕变性和抗热震性;3)在以白刚玉为主要原料的MA-Al2O3 材料中,加入镁铝尖晶石细粉,其常温耐压强度、高温抗蠕变性和高温抗折强度均有大幅度提高.

为满足新一代航空发动机对新型热障涂层材料的迫切需求,以高纯氧化物(Y2O3、Gd2O3、Dy2O3、Sm2O3、La2O3、Ta2O5)为原料,按化学计量比配料,经 1 200～1 750℃保温5h固相反应,制备了高熵稀土钽酸盐(Y0.2Gd0.2Dy0.2La0.2Sm0.2)TaO4 材料,简称为(5RE0.2)TaO4 材料.研究了材料的物相组成、显微结构、热学性能、力学性能和抗CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)侵蚀行为.结果表明:1)(5RE0.2)TaO4 陶瓷材料为单斜结构,存在明显铁弹畴;2)该材料经 1 750℃烧后具有极低的热导率(1.65 W·m-1·K-1,600℃)和较高的热膨胀系数(10.2×10-6 K-1,1 200℃);3)由于独特的铁弹增韧效应,经 1 750℃烧后(5RE0.2)TaO4 材料的断裂韧性达到2.4 MPa·m1/2;4)(5RE0.2)TaO4 与CMAS熔体作用后形成反应层,表现出了优异的抗侵蚀性能.

综述了高锆质材料、含锆镁质材料、含锆钙质材料、含锆刚玉质材料及非氧化物-ZrO2 复合耐火材料的研究概况,发现:1)合理选择ZrO2 原料的稳定剂类型,可以有效改善高锆质耐火材料的抗热震性能并提高使用寿命;2)预合成原料(镁锆砂、CaZrO3、锆莫来石、造粒氧化锆微粉和 Zr(OH)4 凝胶等)和轻质含 ZrO2 原料(ZrO2 空心球微珠等)可以在镁质、钙质及刚玉质耐火材料中取得较好的应用效果;3)锆英砂适用于制备非氧化物-ZrO2 复合材料及部分不定形耐火材料.基于此,提出了含锆耐火材料未来需要重点关注的研究方向.

介绍了采用3D激光扫描技术研发的全自动抗热震性试验机的原理、结构和特点,该仪器的设计基于GB/T 30873-2014 中水冷法抗热震性测试的相关要求,相较于传统测试方法,实现了抗热震试验过程中测试端面破损状态的测量计算、数据存档记录以及停机判断等功能的全自动完成.应用结果表明,该仪器较大地提高了测试效率和测试精度,消除了人为误差,为抗热震性结果分析和过程分析提供了丰富的数据和图像资料.

高温合金是航空发动机和燃气轮机发展的重要保证.精密铸造是制造高温合金铸件的主要技术,因其工况具有高温、高真空以及频繁的升降温,且高温合金含有活泼金属元素而对铸造用坩埚要求非常高.高温合金精密铸造用坩埚种类较多,使用情况和实际存在的问题也各不相同.论述了高温合金精密铸造用不同材质坩埚及其研究现状,并对高品质高温合金精密铸造用坩埚的研究方向进行了展望.

为研究工业炭黑对复相结合碳化硅耐火材料性能的影响,以碳化硅颗粒(3～1、1～0.088 mm)与细粉(<0.088 mm)、硅粉(<0.088 mm)、工业炭黑(牌号N990)、SiO2 微粉(d50 =0.26 μm)和ρ-Al2O3 微粉(d50 = 6.0 μm)等为主要原料,采用预制浇注成型,在氮气气氛中于 1 400℃热处理,制备了复相结合碳化硅试样.研究了N990 加入量(w)分别为2.5％、3.0％、3.5％时试样的物理性能、物相组成与显微结构.结果表明:1)随N990 加入量的增加,泥料的流动性改善,脱模强度及干燥强度提高.2)随N990 加入量的增加,氮化后试样的显气孔率升高,体积密度和抗折强度均有下降,试样中游离C含量升高,α-Si3 N4 减少.3)随N990 加入量的增加,因炭黑颗粒团聚的概率增加,氮化处理后试样显微结构的均匀性变差.Si-C和Si-N发生反应烧结,除连续的絮状基质外,局部还出现了致密孤岛状的β-SiC或O′-SiAlON相.综合分析认为,炭黑加入量(w)为 3.0％的试样更能满足材料制备和性能的需要.

RH脱气炉用无铬化的方镁石-尖晶石-Al不烧砖具有优越的力学特性和抗渣渗透性,在极其苛刻的使用条件下成功取代传统的镁铬砖.与传统的陶瓷结合不同的是,方镁石-尖晶石-Al不烧砖使用后呈现微米级柱状MgAlON晶须相互交织、浓密网状分布的结合基质.为建立和完善晶须结合的概念,归纳了耐火材料中晶须结合的特征,晶须形成的机制和条件,晶须增强和晶须结合的不同之处.

锆酸钙材料是一种具有潜在应用前景的高温合金熔炼用坩埚材料,以电熔锆酸钙(CaZrO3)为主原料,添加少量(w,0.5％～2％)的 TiO2、Al2O3、La2O3、CeO2、Y2O3 粉体作为烧结助剂,在 150 MPa 下压制成φ30 mm×7 mm的坯体,经 1 650℃保温3h烧成.研究了烧结助剂种类及其加入量对锆酸钙材料烧结程度、物相组成及显微结构的影响.结果表明:1)添加2％(w)TiO2 时试样烧结性能最优,这是由于发生固溶反应促进了材料的烧结;2)Al2O3 的加入量为 1％(w)较适宜,由于产生液相促进了材料的烧结,烧后试样中平均晶粒尺寸为 10～30 μm;3)Y2O3 的加入量为0.5％(w)较适宜,由于发生固溶反应促进了材料的烧结,烧后试样中平均晶粒尺寸为 10～50 μm.

为提高陶瓷介质滤波器的烧成良品率,采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对MgTiO3-CaTiO3(MCT)陶瓷介质滤波器置于刚玉-莫来石承烧板上烧成后出现的表面斑点进行了剖析.结果表明,在1 300℃,MCT陶瓷介质滤波器与刚玉-莫来石承烧板接触点发生反应,生成2MgO·SiO2 和Al2O3·TiO2,形成异色斑点.基于对复合氧化物反应的热力学分析,在刚玉-莫来石承烧板工作面喷涂ZrO2 涂层,烧制的滤波器表面颜色均匀,无异色斑点产生.

介绍了近期钢铁工业用耐火材料的新技术和新进展,包括干熄焦炉用复相结合碳化硅材料、氢基竖炉用关键耐火材料、欧冶炉(改进型COREX-C3000)用关键耐火材料、炼铁高炉用碳化硅风口组合大砖、高炉出铁沟用环保型长寿命Al2O3-SiC-C质浇注料、转炉挡渣用氧化锆滑板、钢包精炼用耐火材料、连铸用梯度功能耐火材料、高温装置用高效隔热材料、热态高炉渣的回收利用和铸造用泡沫陶瓷过滤器等.通过这些新技术的应用,可以满足钢铁工业新装备和新工艺的要求,提高现有炉衬或关键耐火材料的使用寿命,节能降耗,净化钢液或铁水,加强固废利用等.

许多高温工业装备(如高炉、气化炉、干熄焦炉等)的服役环境为还原气氛.还原气氛中的CO在催化剂的作用下容易发生歧化反应,生成CO2 和固体碳,碳沉积在耐火材料的孔隙中,导致耐火材料过早地剥落或损毁.为此,从催化剂、CO分压、气氛组成、温度等控制因素阐述了CO的歧化反应,讨论了抑制碳沉积的方法,分析了歧化反应对耐火材料服役性能的影响,指出了今后工作的方向.

为减少碳排放,以电熔镁砂、鳞片石墨、Al-Si复合粉、α-Al2O3 微粉为原料,分别选用新型环保的络合镁铝胶结剂(简写为W粉)和酚醛树脂(简写为PF)为结合剂,制备了MgO-C耐火材料,对比了其物理性能及抗热震性.结果表明:1)不同温度处理后,以W粉结合的试样W的线变化率、显气孔率均大于以PF结合的试样PF,体积密度、常温耐压强度略小于试样PF的;2)试样W比试样PF的抗热震性好,且试样W热震 1 次后的常温抗折强度比热震前的提高 19.2％.

耐火材料是高温技术不可或缺的支撑材料,在钢铁、有色、环保、航空航天等领域应用广泛.从重要基础原材料产业和战略新兴产业出发,解析了国家高质量发展、绿色双碳、国防安全等战略对先进耐火材料的需求,总结了耐火材料的现状,并结合耐火材料工业自身高质量绿色低碳发展,讨论了其面临的机遇与挑战,最后结合国家发展战略实施,提出了研发的数字化与智慧化、减量化与结构功能化、绿色低碳新技术用先进耐火材料、耐火材料绿色低碳化数字化制造关键技术与标准等先进耐火材料未来的发展方向.

为了提高硼酸铝基陶瓷的强度和隔热性能,以Al2O3 纳米粉和B2O3 微粉为主要原料,采用叔丁醇基凝胶注模结合原位固相反应工艺制备硼酸铝多孔陶瓷,研究了Al、B物质的量比(分别为 9∶2、9∶4 和 9∶6)、热处理温度(分别为 1000、1200 和 1400℃)对硼酸铝多孔陶瓷性能的影响.结果表明:1)由于B2O3 在高温下易挥发,过量的B2O3 有利于硼酸铝晶须的生成;但过量太多会使生成的硼酸铝晶须过于粗大,导致试样致密度过高.2)热处理温度过低,硼酸铝晶须发育较差,试样致密度较低;而热处理温度过高,晶须之间会发生烧结致密化.3)当Al、B物质的量比为9∶4,热处理温度为 1200℃时,硼酸铝晶须长径比较大,并相互交织形成三维网络结构;所得多孔陶瓷具有较小的体积密度(0.67 g·cm-3)、较低的热导率(室温下0.141 W·m-1·K-1)和较高的常温耐压强度(6.23 Mpa).

为提高氧化镁部分稳定氧化锆(Mg-PSZ)陶瓷的性能,以ZrO2 粉和MgO粉为原料,引入SiO2 粉,在1600℃保温2h制备了Mg-PSZ陶瓷试样.研究了SiO2 添加量(加入质量分数分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)对试样相组成、显微结构、离子电导率、物理性能等的影响.结果表明:1)在Mg-PSZ陶瓷中添加SiO2 可以促进m-ZrO2 向c-ZrO2 的转变,m-ZrO2 相的含量越少,气孔和裂纹越少,致密度越高;2)随着SiO2 添加量的增加,试样的c-ZrO2 相含量、致密度、抗热震性、常温耐压强度和离子电导率先增大后减小.当SiO2 添加量为0.4%(w)时,试样的综合性能最好.

为了优化矾土基莫来石材料的性能,以Al2O3 含量约为 70%(w)的Ⅱ等高铝矾土为原料,采用湿法均化、高温热处理工艺制备矾土基莫来石试样,研究了热处理温度(空气气氛下分别在 1350～1650℃保温4h)对试样物相组成与显微结构的影响,并探讨了柱状莫来石晶体的生长机制.结果表明,莫来石符合固-液环境下生长发育的特征:1)1350～1500℃时,大量Al2O3 溶解至SiO2 非晶质中加快了二次莫来石化反应进程,该阶段液相的过饱和度较高,莫来石晶粒伴随有台阶生长的特征;2)在重结晶烧结阶段(1500～1650℃),结晶相的增加消耗了液相中的Al2O3,液相过饱和度降低,莫来石晶体表现出螺旋位错为主的生长特征;3)随热处理温度的升高(1350～1650℃),试样中的液相黏度降低,从而减少了晶体各向异性生长的阻力,使莫来石晶粒逐渐发育成长柱状并形成连续交叉的网络结构.