基于高钙菱镁矿的复合镁砂原料制备、结构及性能研究

作     者：胡昭 

作者单位：武汉科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐义彪

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：镁砂 游离氧化钙 抗水化性 抗热震性 抗渗透性 

摘      要：镁砂是制备镁质耐火材料最重要的原料,我国主要是以菱镁矿等固体矿为原材料制备,但近年来由于菱镁矿掠夺式开采,高品位镁砂日益短缺。事实上,我国西藏存在较多隐晶质高纯菱镁矿,但此菱镁矿制备镁砂含有一定量游离氧化钙,运输和存储过程易水化,还未充分利用。此外,镁砂的抗热震性能差,且与熔渣润湿性好,使得镁质耐火材料易于发生热剥落及熔渣渗透,缩短了其服役寿命。通过添加剂对镁砂进行改性,消除游离氧化钙,并利用新生相改善镁砂的热震稳定性及抗渗透性,极大延长了镁质耐火材料的使用寿命。本文旨在以西藏含游离CaO轻烧镁砂为原料制备致密镁质复合原料,通过引入ZrO、Zr SiO及AlO-ZrO调节复合原料的矿物组成及显微结构,以期提高含游离CaO镁砂原料的抗热震性能、抗水化性能及抗熔渣渗透性能。可以得到如下结论:1.引入m-ZrO显著提高了MgO-ZrO原料的抗水化及抗热震性,但原料的抗渗透性随着m-ZrO含量增加逐渐降低。添加m-ZrO消除了游离CaO,降低了试样的开口气孔率致使抗水化性能显著提高。随ZrO含量增加,晶粒间结合增强,出现裂纹偏转及ZrO穿晶断裂。此外,由于试样热膨胀系数随之降低,断裂韧性随之提高,致使试样的抗热震性能显著提高;引入m-ZrO减小试样晶粒尺寸,同时侵蚀过程中晶界处生成较多Ca ZrO,导致方镁石晶界尺寸变宽,加剧了熔渣的渗透。2.添加Zr SiO显著提高了镁砂原料的抗水化及抗热震性能,MgO-Zr SiO试样抗渗透侵蚀性随Zr SiO增加呈先降低后提高的趋势。添加1 wt%的Zr SiO试样中由于Ca ZrO形成伴随体积膨胀,降低了其致密性及强度;而随Zr SiO进一步增加,Ca ZrO转化为c-ZrO相,试样致密性显著增加。随Zr SiO增加,试样中Ca ZrO及c-ZrO形成消除了CaO,加之镁砂晶粒增大,试样抗水化性能不断提高;同时试样热膨胀系数呈下降趋势,且裂纹发生偏转,试样抗热震性能不断提高。添加1wt%的Zr SiO,试样气孔率增加,抗渗透侵蚀性能降低;而随Zr SiO进一步增加,试样的致密性及方镁石晶粒尺寸增加,且在渗透层与原质层间形成少量Ca ZrO相,试样抗渗透侵蚀性能随之显著增加。3.引入不同组成AlO-ZrO复合粉体均可改善镁砂原料的抗水化及抗热震性能,AlO不高于2wt%的复合粉体可提高试样的抗渗透性能。添加AlO-ZrO试样中c-ZrO及Ca ZrO形成消除了CaO,并且Mg AlO的生成促进了晶粒长大及试样致密化,试样抗水化性能显著提高。此外,Mg AlO及c-ZrO增韧相的形成,提高了晶粒结合程度及试样强度,试样中裂纹偏转伴随c-ZrO和Ca ZrO穿晶断裂的发生,消耗了裂纹扩展能,改善了试样抗热震性能。添加AlO为2wt%的AlO-ZrO时,试样致密性提高,方镁石晶粒增大,试样渗透性能提高;进一步增加复合粉体中AlO,试样晶界处形成大量易溶于渣的Mg AlO,加速了熔渣渗透过程。4.采用3-1mm的MgO-ZrO复合原料替换等粒径纯镁砂骨料制备了镁碳耐火材料,有效改善了镁碳耐火材料的抗热震性能。MgO-ZrO原料与纯镁砂小骨料(1-0mm)间由于热膨胀系数失配,1400℃热处理后两者间存在间隙,降低了镁碳耐火材料强度。与纯镁砂骨料相比,MgO-ZrO复合原料抗热震性能好,热膨胀系数低,热冲击下破裂更少,有效改善了镁碳耐火材料的抗热震性能。