基于辽宁菱镁矿制备改性烧结镁砂及其性能研究

作     者：李真真 

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：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：辽宁菱镁矿 镁砂 抗热震性 抗水化性 抗渣渗透性 

摘      要：镁砂因熔点高(约2800℃)以及抗渣侵蚀性优良的特点,是炼钢转炉、钢包和其他工业冶金炉炉衬中广泛应用的一种耐火原料。我国主要是通过煅烧菱镁矿的方法制备烧结镁砂,辽宁部分菱镁矿生产的镁砂含有少量的FeO、Si O,具有良好的化学稳定性和热机械性能。然而,这种镁砂含有一定量的游离氧化钙,抗水化性较差,限制了其实际应用。此外,镁砂原料还存在抗热震性和抗熔渣渗透性差的固有缺点,缩短了镁质耐火材料的使用寿命。本文旨在利用添加剂消除镁砂中游离氧化钙,改善镁砂抗热震性及抗侵蚀性。首先研究轻烧温度和球磨时间对轻烧氧化镁烧结性能的影响,确定最佳的工艺参数。在此基础上,在轻烧氧化镁中分别添加α-AlO、TiO和AlO-TiO微粉制备镁质复合骨料,研究了添加剂的含量对材料烧结行为、显微结构及各性能的影响。通过上述研究,主要结论如下:1.辽宁菱镁矿制备镁砂骨料的最佳轻烧温度为850℃,最佳球磨时间为6 h。菱镁矿的轻烧温度为650℃时,少量Mg CO未分解,试样致密性较低。当轻烧温度为750℃和850℃时,菱镁矿分解完全且氧化镁烧结活性较高,烧后试样致密性较高,且在850℃时镁砂具有最高的致密度,镁砂的体积密度达到3.44g/cm。当轻烧温度升高至950℃时,轻烧氧化镁的烧结活性降低,镁砂的体积密度下降至3.37 g/cm。当球磨时间由2 h增加至6h后,氧化镁粉体的中值粒径由5.8μm降低至3.9μm,镁砂的体积密度由3.37 g/cm增加至3.40 g/cm,随着球磨时间的延长,颗粒粒径变化值下降幅度不明显。2.α-AlO微粉有助于改善镁砂的抗热震性和抗水化性,但镁砂的抗渣渗透性随α-AlO添加量的增加逐渐降低。α-AlO与Mg O反应生成Mg AlO相,促进了方镁石晶粒的生长和镁砂致密化。添加7 wt%的α-AlO微粉试样抗水化性最好。随α-AlO添加量增加,试样热膨胀系数降低、裂纹偏转频率增加,试样抗热震性能显著提高。当TiO含量由0 wt%增加至7 wt%时,试样的残余抗折强度和残余强度保持率分别从24.4 MPa和15.1%增加至36.6 MPa和33.2%。然而,因Mg AlO在渣中稳定性较差,易与熔渣中的Ca O和Si O反应生成Ca O-AlO-2Si O低熔相,引入α-AlO降低了试样抗渣渗透性。3.TiO微粉有助于改善镁砂的抗热震性和抗水化性,试样的抗渣渗透性在TiO添加量为1 wt%时最佳。随着TiO添加量增加,游离氧化钙及部分Mg O相继转化为Ca TiO及MgTiO相,且方镁石晶粒尺寸增大,试样抗水化性显著提高。添加3 wt%的TiO试样,水化增重率仅为0.32%。Ca TiO及MgTiO晶间相的形成降低了试样的热膨胀系数,诱导裂纹发生偏转,试样抗热震性随TiO增加逐步提高。当试样中TiO为3 wt%时,试样的残余抗折强度和残余强度保持率分别为36.9 MPa和32.1%。此外,添加1 wt%的TiO试样,因方镁石晶粒增大及高稳定性的Ca TiO晶间相形成,抗渣渗透性明显提高。但进一步增加TiO会导致低稳定性的MgTiO晶间相生成,显著降低试样抗渣渗透性。4.AlO-TiO复合粉体能显著改善镁砂的抗热震性、抗水化性以及抗渣渗透性。随着复合粉体含量的增加,在Mg O晶界处依次形成Ca TiO相和MgAl2(1-x))TiO相,影响了试样的显微结构和性能。当AlO-TiO从0增加至7wt%时,Mg O晶粒尺寸增大、游离Ca O与TiO反应生成Ca TiO,使得试样的水化增重率从0.212%降低至0.097%。由于生成相Ca TiO和MgAl2(1-x))TiO降低了试样的热膨胀系数,裂纹发生偏转,试样的抗热震性随着AlO-TiO添加量增加显著提高。添加3 wt%的复合粉体,试样的抗渣渗透性显著提高,这主要是由于Mg O晶粒尺寸增大,接触角增大,形成了高稳定的Ca TiO晶间相。然而,随着AlO-TiO的进一步增加,降低了熔渣渗透阻力,这是由于接触角的减小和在Mg O晶界处形成低稳定性的MgAl2(1-x))TiO相。