铝铬渣基还原刚玉的基本性能及其应用基础研究

作     者：李洲 

作者单位：武汉科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵惠忠

授予年度：2023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：铝铬渣 还原刚玉 氧化钙 抗渣侵蚀 

摘      要：铝铬渣是冶炼金属铬过程中伴生的一种固体废弃物,对其进行重熔碳化,可使铝铬渣中的氧化铬碳化还原,最终实现高质资源化利用,这不仅解决了铝铬渣中存在的六价铬的潜在危害,同时获得了高附加值的三碳化七铬和以少量六铝酸钙相存在的一种新型电熔刚玉原料——还原刚玉。以往的研究表明,还原刚玉含有约95 wt.%的AlO,其耐火度高于1790℃。作为一种低成本,环境友好型电熔刚玉原料,还原刚玉在刚玉质耐火原材料市场显示出了巨大的潜力。虽然还原刚玉的开发已经过去多年,但对其理化性能和应用基础性能的系统研究较少,因此,本论文对其开展了较为系统、深入的基本理化性能及其应用基础性能研究。通过与常规电熔刚玉原料(白刚玉、棕刚玉)进行对比分析研究,探究了还原刚玉中Ca O对其理化性能、烧结性能、抗渣侵蚀性能的影响。在此基础上,以还原刚玉为主要原料,制备了刚玉质耐火材料,并进行了在冲天炉内衬中的应用研究,并得到如下有意义的结果:(1)还原刚玉是一种主要由刚玉相和少量的六铝酸钙相、CaMgAlO相构成的电熔刚玉,且不存在六价铬的潜在危害。与白刚玉相比,还原刚玉中存在的Ca O可使其具有较低的显气孔率和热导率,较高的颗粒强度。在温度达到1600℃以上时,还原刚玉的液相量随着Ca O含量的增加而增加,但Ca O对其耐火度无消极影响。然而,碳化铝和二铝酸钙的存在会导致还原刚玉产生水化现象。通过人工拣选筛除碳化铝(碳化铝外观呈黄、绿灰色),或增大冶炼温度、对电熔后熔体进行淬冷处理来使Ca O在熔体中实现均匀分布,防止还原刚玉发生水化。(2)通过对不同炉渣对还原刚玉抗侵蚀性能的研究发现,还原刚玉与炉渣中的Ca O、Si O等氧化物反应生成新的低熔相并填充基质中的孔隙,同时增大炉渣的粘度,阻挡炉渣的侵蚀和渗透。与白刚玉、棕刚玉的抗渣侵蚀性能进行对比研究后发现,还原刚玉抵抗钢包渣、高炉渣、铜渣的渗透性能均优于棕刚玉,但弱于白刚玉。还原刚玉中的Ca O促进了还原刚玉试样中六铝酸钙、尖晶石等物相的生成,进而起到阻挡炉渣渗透的作用,且未表现出负面影响。(3)对磷酸盐结合还原刚玉的性能研究表明,试样的物理性能随着Ca O添加量的增加而下降,这是因为随着Ca O的加入,材料中生成的磷酸三钙含量逐渐升高,磷酸三钙会在1100℃时发生晶型转变,导致体积膨胀并产生较多的裂纹,从而降低材料的强度。将白刚玉、棕刚玉引入磷酸盐结合还原刚玉材料中,可降低试样中磷酸三钙的含量,提升材料的常温抗折强度。并将其应用于冲天炉内衬,其中还原刚玉-棕刚玉材料具有较好的常温物理性能和高温稳定性能。在冲天炉渣侵蚀条件下,该材料中的氧化铝向炉渣中的溶解量最小,侵蚀深度低于其他材料。