耐火材料技術(shù)的發(fā)展與探索

/耐火材料技術(shù)的進(jìn)展與探究節(jié)能降耗和降低二氧化碳的排放已經(jīng)成為世界高溫工業(yè)進(jìn)展的要求，耐火材料作為高溫工業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)性材料正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，一方面是其作為高溫工業(yè)之一，生產(chǎn)過程應(yīng)符合上述高溫工業(yè)進(jìn)展要求，另一方面，其應(yīng)為所服務(wù)的高溫工業(yè)安全運(yùn)行、節(jié)能降耗供給物質(zhì)保障，為此，世界范圍內(nèi)的耐火材料工進(jìn)行了大量的討論工作，并開發(fā)了新的耐火材料技術(shù)，有些已成功應(yīng)用于實(shí)際。本文列舉下面5個(gè)方面的討論結(jié)果：1．輕質(zhì)骨料耐火材料技術(shù)。2．含碳酸鈣質(zhì)耐火材料技術(shù)與鋼質(zhì)量。3．溶膠—凝膠結(jié)合澆注料技術(shù)。4．鹽浸漬剛玉基澆注料技術(shù)。5．碳納米管復(fù)合耐火材料技術(shù)。輕質(zhì)骨料耐火材料技術(shù)對(duì)于某些特定的耐火材料并不需要其骨料具有較高體積密度及低氣孔率。例如，基于耐火材料的渣侵蝕機(jī)理，基質(zhì)往往是簡(jiǎn)單受渣侵蝕的，熔渣會(huì)繞道通過基質(zhì)滲透到耐火骨料的后面，熔渣滲透到耐火材料的基質(zhì)并與之反應(yīng)形成一個(gè)滲透侵蝕層，由于侵蝕層和原質(zhì)層之間熱膨脹系數(shù)的差別，隨后會(huì)在原質(zhì)層和侵蝕層之間形成裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展，侵蝕層會(huì)和骨料一起剝落進(jìn)入到渣中，這與骨料的體積密度及氣孔率的高處與低處無關(guān)。因此，對(duì)于使用于特定場(chǎng)合的耐火材料，可以使用輕質(zhì)骨料代替高密度骨料，這樣可以使耐火材料骨料和基質(zhì)達(dá)到某種性能的平衡，同時(shí)，應(yīng)用輕質(zhì)骨料不但削減其在制備過程中能源消耗及CO2的排放，還可降低耐火材料的熱導(dǎo)率，削減使用過程中爐襯的散熱損失。含碳酸鈣質(zhì)耐火材料技術(shù)與鋼質(zhì)量氧化鈣（CaO）能夠吸附鋼中的夾雜物以及S，P等有害元素，在已知的氧化物中它是最穩(wěn)定的，對(duì)鋼液的二次氧化很小，因此含CaO的耐火材料已廣泛應(yīng)用于干凈鋼的生產(chǎn)中。但是CaO易水化，不能直接引入到中包耐火材料中。在中包耐火材料中引入石灰石（CaCO3）不僅可以避開CaO水化的問題，而且在煉鋼過程中能夠生成高活性的CaO，對(duì)鋼水的凈化過程特別有利，同時(shí)使?fàn)t襯材料輕質(zhì)化并起到了很好的保溫效果。溶膠—凝膠結(jié)合澆注料技術(shù)為了削減澆注料干燥所需的時(shí)間，在過去十年間，膠體結(jié)合系統(tǒng)澆注料被證明能夠快速有效地使試樣達(dá)到干燥，避開了采納水泥結(jié)合澆注料所需要的嚴(yán)格干燥過程。國(guó)外討論者討論了各溫度下溶膠—凝膠結(jié)合氧化鋁基耐火澆注料的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)比其與水泥結(jié)合澆注料的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能的差異，探明白溶膠—凝膠結(jié)合氧化鋁基耐火澆注料結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生的過程。DTA/TGA給出了溶膠—凝膠結(jié)合澆注料在燒成過程中所發(fā)生的反應(yīng)。500℃下試樣中的結(jié)構(gòu)水被去除，發(fā)生了由勃姆石到—Al2O3的變化。同時(shí)溶膠—凝膠結(jié)合澆注料的透氣性較高，有效地避開了試樣中結(jié)構(gòu)水快速揮發(fā)所帶來爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。室溫干燥后，凝膠在骨料四周形成并產(chǎn)生強(qiáng)度，并將凝膠和骨料之間結(jié)合在一起。在110℃時(shí)可明顯察看到凝膠的收縮。到1000℃時(shí)凝膠基質(zhì)的體積再一次收縮。這些凝膠的體積收縮是由試樣中結(jié)構(gòu)水的去除所引起的。當(dāng)溫度達(dá)到1500℃時(shí)試樣中凝膠基質(zhì)開始變化為氧化鋁并與骨料通過燒結(jié)而結(jié)合。鹽浸漬剛玉基澆注料技術(shù)剛玉基澆注料的高溫強(qiáng)度及抗熱震性在很多部位的應(yīng)用至關(guān)緊要，而近期的討論結(jié)果發(fā)覺鹽溶液浸漬技術(shù)對(duì)提高剛玉基澆注料的應(yīng)用性能非常有效。通常在水泥結(jié)合剛玉基澆注料中會(huì)形成薄片狀的六鋁酸鈣相，其將晶粒與晶粒間相互連接起來形成鎖鏈狀結(jié)構(gòu)，而浸漬過硫酸鎂溶液的剛玉基澆注料中會(huì)生成鎂鋁尖晶石相和六鋁酸鈣相，其中六鋁酸鈣的晶粒尺寸小于未浸漬過的試樣。浸漬和沒有浸漬的兩組澆注料經(jīng)1600℃處理后，測(cè)定了高溫抗折強(qiáng)度和抗熱震穩(wěn)定性?？梢钥闯鳆}浸漬后的試樣高溫抗折強(qiáng)度顯著提高，抗熱震穩(wěn)定性明顯提高，這可能是浸漬后在試樣基質(zhì)中形成的尖晶石強(qiáng)化了剛玉相顆粒間的連接作用，同時(shí)尖晶石的存在能有效地阻攔裂紋的擴(kuò)展。碳納米管復(fù)合耐火材料技術(shù)碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可作為一種新的碳源引入到含碳耐火材料中，開發(fā)高性能含碳耐火材料。然而碳納米管在耐火材料中的應(yīng)用涉及到以下問題：首先，在高溫下碳納米管可能發(fā)生蝕變變化成陶瓷相或被氧化，其次，在材料的基質(zhì)中碳納米管易發(fā)生團(tuán)聚，不利于分散。針對(duì)這些問題，已開展了一些討論工作。一是，高溫下多壁碳納米管結(jié)構(gòu)演化與含碳材料中外加劑的關(guān)系?？梢赃x擇合適的硅源和處理溫度，掌控多壁碳納米管發(fā)生結(jié)構(gòu)蝕變。二是，通過在多壁碳納米管的表面修飾含硅陶瓷前驅(qū)體，在高溫下形成陶瓷涂層，一方面可阻攔碳納米管的蝕變，同時(shí)也提高了其抗氧化性。第三，采納過渡金屬催化劑在高溫下催化裂解酚醛樹脂形成碳納米管，提高鋁碳耐火材料力學(xué)性能。例如以硝酸鎳催化裂解基質(zhì)中的酚醛樹脂形成碳納米管。同時(shí)，催化劑的存在促進(jìn)了陶瓷晶須的生成量，提高了鋁碳耐火材料的力學(xué)性能。本文列舉了重要耐火材料技術(shù)最新進(jìn)展，可得到如下結(jié)論：1.結(jié)合耐火材料特定場(chǎng)合的使用要求，在優(yōu)化耐火材料基質(zhì)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)的同時(shí)，采納輕質(zhì)低密度的原材料作為骨料用于耐火材料是可行和有益的。2.耐火材料中的石灰石所釋放出CO2可與鋼中合金元素反應(yīng)生成碳和氧化物，從而加添鋼中的總氧含量和碳含量。3.采納