高温合金在航空航天发动机、燃气轮机等高温领域中扮演着重要角色。高温合金熔炼过程中,陶瓷坩埚作为关键容器,其与合金熔体的相互作用直接影响合金纯净度、组织均匀性以及服役性能,同时也决定陶瓷坩埚的自身热稳定性与服役寿命。为满足高性能高温合金的熔炼需求,陶瓷坩埚的高温力学性能、导热性、热稳定性与抗侵蚀性亟需进一步改善。本文系统综述了高温合金熔炼用陶瓷坩埚的发展现状,主要包括氧化物耐火材料、非氧化物耐火材料以及氧化物与非氧化物复合耐火材料3大类,并从热稳定性、导热性、抗侵蚀性等方面简析其服役性能及改性方法,重点阐述了复合结构设计与氧化锆掺杂等提升材料抗热震性能与抗侵蚀性能的策略,同时本文从润湿、侵蚀和剥落3个方面讨论陶瓷坩埚与高温合金熔体间相互作用机制和影响因素,并对通过材料结构设计、稀土氧化物掺杂等提升坩埚性能的方法进行了展望。

重烧镁砂作为洁净钢冶炼的关键基础材料,其高效化生产对耐火材料工业的可持续发展具有重要意义。然而,传统重烧镁砂产业普遍面临高能耗、高污染以及产品质量偏低等突出问题,亟待通过工艺优化与技术升级加以解决。数值模拟技术能够深入解析竖窑内的热工行为与传质规律,为工艺参数的精准调控提供理论依据。本文系统梳理了重烧镁砂产业发展现状与面临的挑战,重点基于移动床与固定床气固传热的研究现状,综述了数值模拟技术在重烧镁砂竖窑传热过程研究中的应用进展。通过分析数学模型的选择与关键假设,探讨了局部热平衡(LTE)与局部非热平衡(LTNE)模型的适用性,总结了固定床与移动床内气固传热的研究成果及其对竖窑工艺优化的借鉴意义。研究表明,LTNE模型更适用于描述竖窑内存在显著温差的气固传热过程。考虑热辐射、颗粒非球形及孔隙率非均匀分布等实际因素是提升模型精度的关键,而计算流体力学-离散元法耦合能精细模拟颗粒尺度行为对宏观传热的影响。优化冷却空气流量、烧结煤气流量及燃烧器位置等操作参数,是提升竖窑热效率与产品质量的有效途径。本文旨在为高品质镁砂的绿色、高效制备提供理论参考与技术支撑。

含碳耐火材料被广泛应用于转炉、电弧炉、钢包、滑板、连铸三大件等钢铁冶金设备。传统含碳耐火材料因其碳含量较高,在与钢液直接接触的冶炼过程中,碳会向钢液中扩散,造成钢水增碳,同时其本身易氧化且生产能耗高。因此,在钢铁冶炼行业中,传统含碳耐火材料已难以满足洁净钢的发展要求,降低碳含量成为亟待解决的问题。然而,单纯降低碳含量会导致含碳耐火材料的抗热震性以及抗熔渣侵蚀等性能下降,直接影响其使用寿命,因此探究含碳耐火材料在不损失性能的前提下实现低碳化具有重要意义。目前对纳米炭的引入、结合剂的改性和添加剂的引入已开展较为充分的研究,但炭易氧化的问题仍未能解决。因此,引入抗氧化性优异的类石墨相材料,既保留了石墨的层状结构与优异的导热、润滑性能,又具备更好的抗氧化性与化学稳定性,成为含碳耐火材料低碳化研究的新方向。本综述对MAX相以及h-BN等类石墨相在耐火材料中的应用研究进行了总结,并对类石墨相引入含碳耐火材料的下一步研究提出了发展建议。

碳化硅陶瓷具有良好的化学稳定性和优异的耐腐蚀性,可替代传统金属换热器,进而被应用于热风炉、焦炉等工业窑炉。然而,传统的制备工艺存在精细化程度低、制备成本高及生产效率低等问题,制约了碳化硅陶瓷的大规模应用。随着增材制造(3D打印)技术的快速发展,这一成型方式为制备高性能碳化硅陶瓷提供了新途径。本文聚焦碳化硅陶瓷用3D打印成型技术,系统探讨了不同打印方式中浆料配方、制备工艺、后处理技术及设备参数对材料力学性能的影响,指出了当前制备技术的局限性,并对未来发展方向进行了展望。

针对低碳Al₂O₃-SiC-C耐火材料因界面结合弱化而难以满足现代炼铁要求的问题,本文以板状刚玉、6H-SiC、α-Al₂O₃微粉、铝粉和鳞片石墨为主要原料,引入MgSiN₂作为添加剂进行制备。研究了添加质量分数为0、1%、3%、5% MgSiN₂对材料物相组成、显微结构和常温力学性能的影响,并结合热力学与第一性原理计算揭示了其作用机制。结果表明,随MgSiN₂添加量增加,材料中原位生成的MgAl₂O₄相增多,且分布更为均匀致密。在1 600 ℃下,MgSiN₂分解产生气态Mg,气态Mg通过气相传质作用,促进了MgAl₂O₄相的原位生成及其与Al₂O₃基体的牢固结合,从而优化了材料的显微结构。当添加质量分数为5% MgSiN₂时,材料的常温力学性能最佳,其常温抗折强度和耐压强度分别提高至7.27和56.80 MPa。

为满足隧道窑快烧工艺对碳化硅推板高抗热震性要求,本研究探究了粗颗粒碳化硅(SiC)含量对氮化物结合SiC材料微观结构与热机械性能的影响。在固定SiC总含量的前提下,制备了粗颗粒(3~5 mm)SiC系列试样(质量分数分别为0、5%、10%和15%)。采用X射线衍射、压汞法、三点弯曲法、单边切口梁法及热膨胀仪等手段,系统表征了样品的物相组成、孔隙结构、抗折强度、弹性模量、断裂韧性及线膨胀系数。同时,通过在1 350 ℃下水冷循环5次后材料的抗折强度与弹性模量保持率定量评价材料的抗热震性能。结果表明,粗SiC颗粒含量显著影响氮化物结合相的生成与材料微观结构。当粗颗粒质量分数为5%时,有助于形成合理的孔径分布和连续的氮化物网络;而质量分数达到或超过10%时,则会抑制氮化反应,导致结构劣化。含5%(质量分数)粗SiC的样品表现出最优的综合性能,其热震后残余抗折强度最高(67 MPa),抗折强度保持率和弹性模量保持率分别为16%和24.8%。该样品同时具有较低的线膨胀系数(4.1×10^-6 ℃^-1)和较高的断裂韧性(6.38 MPa·m^1/2)。因此认为,引入5%(质量分数)的粗SiC颗粒可实现材料强度与韧性的最优匹配,其抗热震性的提升归因于低线膨胀系数、高断裂韧性及粗颗粒引发的裂纹钉扎效应的协同作用。

镁基耐火材料作为洁净钢冶炼过程中的关键基础材料,为实现其高效化生产提供了重要保障。为了改善传统方镁石-镁铝尖晶石质耐火材料的抗热震性能,本文以菱镁矿细粉为原料、氧化铝空心球为造孔剂制备了轻量MgO-MgAl₂O₄质耐火材料,探究了氧化铝空心球添加量、煅烧温度对材料烧结强度、抗热震性能、微观形貌的影响。结果表明,在1 550 ℃煅烧条件下,当添加Al₂O₃空心球质量分数为20%时,试样的体积密度为1.67 g/cm³,显气孔率达到了52.70%,常温抗折强度为2.41 MPa。分析表明,氧化铝空心球与菱镁矿细粉原位生成的镁铝尖晶石颗粒包覆生长在空心球的表面,形成的包覆结构提升了试样的力学强度;Al₂O₃空心球作为闭口气孔引入到试样内部,在材料受到热应力冲击时,闭口气孔可以阻碍裂纹的进一步扩展。此外,氧化铝空心球作为第二相引入到镁质耐火材料中,形成的热失配效应能够显著提升材料的抗热震性能。

镁合金凭借其优异性能在多个领域得到广泛应用,但熔体中存在的夹杂物会严重劣化最终产品的性能。本文基于计算流体力学模拟方法,系统研究了MgO陶瓷过滤器的孔径(0.6~4 mm)与厚度(5~25 mm)对镁合金熔体中夹杂物吸附行为的影响规律。结果表明,随着过滤器孔径减小,100 μm夹杂物的捕捉率持续提升,而20 μm夹杂物的捕捉率呈先上升后趋于平稳的变化趋势,同时过滤器前后压差随孔径减小持续增大。综合净化性能与低压差需求,1 mm为最优孔径。在厚度影响方面,当过滤器厚度为 15 mm时,20 μm夹杂物的捕捉率达到峰值(33.8%),且入口前的夹杂物汇聚效应最为显著,而100 μm夹杂物的分布几乎不受厚度变化影响。在0.2 m/s的恒定熔体流速下,厚度对熔体停留时间与通量的影响较小,但过滤器前后压差随厚度增加呈线性增长趋势,该变化规律与Ergun方程相符。综合考虑净化效率与运行能耗,推荐采用厚度15~20 mm、孔径1 mm的MgO陶瓷过滤器,可实现镁合金熔体高效净化与低压差运行的协同优化。

为探明水合氧化铝结合浇注料的最短有效养护时间,本文研究了在温度为20 ℃、相对湿度为40%时不同养护时间(4、6、12、18、24、48、72 h)对水合氧化铝结合刚玉质浇注料脱模强度和干燥强度的影响。结果表明,在养护前期(4~18 h),水合氧化铝水化程度增加,相互交叉的网络状水化产物勃母石(β-AlOOH)和拜耳石(β-Al(OH)₃)含量显著增加,使脱模强度持续提高,养护时间为18 h时即可满足工业脱模强度要求;当养护时间从18 h延长到72 h,水合氧化铝水化产物在其颗粒表面渐渐形成了致密覆盖层,使得水合氧化铝与水的接触面积变小,抑制了水化反应继续发生,延长养护时间对水化进程的促进作用很小,水化产物形貌无变化,其数量仅微量增加,脱模强度变化不大。水合氧化铝结合浇注料经不同时间养护后,再经过110 ℃干燥24 h,养护阶段未水化的水合氧化铝进一步水化,同时水化程度低的水合氧化铝在干燥过程中发生了更大程度的再水化,使得干燥后水化程度最大化,水化产物量区别不大,显微形貌相同,导致干燥强度变化不大。因此,水合氧化铝结合浇注料养护18 h达到脱模强度后直接进干燥工序,可提高生产效率。

为提高菱镁矿尾矿资源利用率、降低镁质耐火材料生产成本、减少菱镁尾矿对环境的污染,本文以菱镁矿尾矿轻烧粉为原料,氧化钇为添加剂,丙三醇为结合剂,采用固相反应无压烧结法制备镁质复合材料。研究了Y₂O₃加入量(质量分数分别为0、1%、2%、4%)对试样物相组成、显微结构、体积密度、显气孔率、常温抗折强度和抗热震稳定性的影响。结果表明,Y₂O₃的固溶使镁橄榄石的晶格发生畸变,提高了离子的扩散速度,促使镁橄榄石中的颗粒更容易在晶格中迁移和重排,从而填充孔隙和间隙,进而提高试样的致密度;同时,氧化钇与杂质相CaO、SiO₂反应生成了高熔点相Ca₄Y₆O(SiO₄)₆,这种相的存在能够提高试样的强度。当添加质量分数为2%的Y₂O₃时,试样的综合性能最好(体积密度为3.04 g/cm³,显气孔率为3.82%,线收缩率为14.93%,常温抗折强度为94.33 MPa,残余强度保持率为89.64%)。利用简化的第二热力学影响因子较好的解释了氧化钇对镁质复合材料抗热震稳定性的影响。

含碳耐火材料的低碳化与高性能化是洁净钢冶炼技术发展的关键瓶颈。本研究提出了一种通过三辊研磨剥离与催化原位转化制备多层石墨烯(MLGs)-碳化硅颗粒/晶须(SiC_p/SiC_w)复合增强体的新策略。以膨胀石墨(EG)为原料、酚醛树脂(PF)为介质,研究了EG与PF配比对三辊研磨剥离效率及MLGs结构完整性的影响。以此MLGs/PF复合体系为碳源,在硝酸镍的作用下,与硅粉在1 400 ℃反应实现SiC_p/SiC_w的原位催化合成。结果表明,硝酸镍的引入是驱动SiC晶须形成的关键因素。反应过程中,部分 MLGs得以保留,以独立片状增强相的形式嵌入SiC基体中;同时,MLGs的存在优化了碳网络结构,使 PF残碳率提升至50.9%。热重-差热分析清晰揭示了镍盐分解、还原以及催化Si-C放热反应(峰值温度 1 294 ℃)的完整路径与反应机制。该工作制备的 MLGs-SiC_p-w复合材料,可作为二维碳相与陶瓷相,用于提升洁净钢用高性能低碳耐火材料的综合性能。

低碳MgO-C耐火材料是高品质特殊钢精炼用关键耐火材料,其与熔渣间的自由基反应会诱导材料服役失效,而弱静磁场具有调控高温熔渣与耐火材料界面反应速率的重要潜力,故本研究基于高温电磁可视化设备,引入侵蚀烈度指数,研究并评价了空气/氩气/真空3种气氛中0~1.5 mT弱静磁场对高铝CaO-Al₂O₃系熔渣在低碳MgO-C耐火材料表面润湿、渗透及蚀损的影响。结果表明,镁砂及碳源在高温环境下会分别产生超氧自由基和石墨σ悬空键,在真空1 600 ℃条件下,外加1.5 mT弱静磁场时,S1熔渣与碳质量分数为5%的低碳MgO-C耐火材料反应30 min后,侵蚀烈度指数由无弱磁场情况下的54.25降至16.35,支持磁场通过改变自由基对自旋态分布,从而降低超氧自由基与σ悬空键发生氧化反应的可能性。因此,弱静磁场可通过抑制自由基反应与减缓MgO溶解速率来提高低碳MgO-C耐火材料的抗渣能力。本研究为高品质特种钢精炼用低碳MgO-C耐火材料性能优化以及磁场辅助增强抗侵蚀技术开发提供了重要理论依据。

为研究纳米 Cr₂O₃引入方式对镁钙砖抗低碱度渣侵蚀性能的影响,以纳米 Cr₂O₃为添加剂,分别采用直接加入(MC)、预合成细粉引入(YMC)与预合成骨料引入(CYMC)三种引入方式制备镁钙砖,比较其在低碱度 CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃-Fe₂O₃ 渣系中的抗渣侵蚀能力。结果表明,CYMC 样品体积密度最高(约3.10 g·cm^-3)、显气孔率最低(约9.01%),常温力学强度优于YMC与MC 。静态坩埚侵蚀试验中,MC、YMC、CYMC渣侵深度依次为0.92、0.74、0.60 mm,即MC＞YMC＞CYMC。显微结构分析显示,预合成尖晶石((Mg,Ca)Cr₂O₄)均匀分布于晶界,降低了炉渣在晶界处的渗透,同时抑制了MgO、CaO的溶解,减少游离CaO与渣中SiO₂的反应;而直接加入纳米 Cr₂O₃ 时出现团聚现象,且生成的尖晶石分布不均匀,诱发微裂纹与孔隙,导致其抗渣性最差。综上所述,纳米 Cr₂O₃ 以预合成骨料方式引入可显著提高镁钙砖的致密程度与抗低碱度渣侵蚀能力。