2022年, 第29卷, 第7期　刊出日期：2022-07-25

  

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  复合粉体的合成及其在低碳耐火材料中的应用研究进展

  骆吉源，任鑫明，种小川，丁冬海，马北越，肖国庆，于景坤

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1041-1051.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-022-00806-3

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  低碳耐火材料的开发具有重大意义，但直接降低石墨使用量往往导致耐火材料性能的下降。大量研究表明，引入复合粉是提高低碳耐火材料性能的有效方法。本文对复合粉体进行了分类，综述了改性石墨、含纳米碳复合粉、氧化物/非氧化物复合粉以及非氧化物复合粉等的合成及其在低碳耐火材料中的应用研究进展，并对未来复合粉的合成及在低碳耐火材料应用的研究发展方向进行了展望。
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  三元碳化物增强低碳MgO-C耐火材料抗氧化性能的综述

  余超，董博，陈嵛沣，马北越，丁军，邓承继，祝洪喜，邸敬慧

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1052-1062.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-022-00804-5

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  随炼钢技术的发展及高效节能减排的需求，低碳MgO-C耐火材料的应用日益增长。为提升低碳MgO-C耐火材料的服役性能，通常需要添加抗氧化剂提升其抗氧化性能。三元碳化物在提升MgO-C耐火材料抗氧化性能方面得到了广泛研究，其中Al₄O₄C、Al₈B₄C₇、Al₄SiC₄、Ti₂AlC、Ti₃AlC₂和Ti₃SiC₂都获得了较好效果。本文归纳了三元碳化物的晶体结构、物理性能、氧化行为及制备工艺，分析了三元碳化物对MgO-C耐火材料抗氧化性能的强化机理，并对未来三元碳化物在低碳MgO-C耐火材料中的研究发展方向进行了展望。
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  纳米Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ 添加剂对铝酸钙水泥高温下抗压强度的影响及机理分析

  孙倩，王恩会，侯新梅，何志军，梁彤祥

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1063-1072.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00594-2

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  铝酸钙水泥（CAC）被广泛用作耐火材料的粘合剂，因此，如何提高CAC在高温下的抗压强度对其应用至关重要。为此，本文使用添加比例为0.5%-1.5%的纳米Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂作为添加剂，将其加入到水灰比为0.4的水泥中。X射线衍射和水泥水化放热分析表明，纳米Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂添加剂可以缩短水化过程并促进主要水化产物CaAl₂O₄•10H₂O (CAH₁₀)和 Ca₂Al₂O₅•8H₂O (C₂AH₈)的形成。此外，扫描电镜结果表明，纳米Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂可以保护CAH₁₀和C₂AH₈的结构在煅烧过程中不被破坏，保证这些薄层晶体相互缠绕并形成更致密的微观结构。得益于上述作用，纳米Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂可以显著提高CAC砂浆样品在养护7 d并经过1100 ℃煅烧后的抗压强度，而抗压强度的提升效果取决于纳米添加剂的含量。特别是与未添加添加剂的试样相比，添加1.0% 含量纳米Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂添加剂水泥试样的抗压强度提高了14%。
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  不同MgO含量的转炉渣与镁碳耐材间润湿和侵蚀行为研究

  白瑞强，刘思旸，毛飞雄，张媛媛，杨鑫，何志军

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1073-1079.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00695-y

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  通过高温润湿实验研究了转炉渣中MgO含量变化对熔渣与MgO-C耐火材料间的润湿和侵蚀行为的影响。由高温润湿实验可知，随着炉渣中MgO含量的增加，熔渣与MgO-C耐火材料间的接触角逐渐减小，同时炉渣在耐火材料内部的渗透深度也逐渐减小，由60.54 μm（MgO含量为8%）降低至28.11 μm（MgO含量为12%）。熔渣中的CaO和SiO₂沿着C被氧化形成的孔洞或耐材表面存在的裂纹向MgO-C耐火材料内部渗透，与MgO反应生成大量的低熔点化合物CMS（CaO-MgO-SiO₂），加速了耐火材料的侵蚀。炉渣中MgO含量增加，熔渣的黏度增加，且流动性变差，导致熔渣中分子或离子的传质和扩散作用减弱。此外，MgO含量增加，降低了熔渣中FeO的活度，抑制了界面化学反应，减弱了界面反应引起的润湿效应。
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  由粘土预合成的Al₂O₃-SiC复合粉及其对低碳MgO-C耐火材料性能的影响

  马北越，任鑫明，高陟，钱凡，刘朝阳，刘国齐，于景坤，付高峰

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1080-1088.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00653-8

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  引入复合添加剂是改善低碳化MgO-C耐火材料性能的一个有效策略。由粘土经电磁感应加热和埋碳法制备了Al₂O₃-SiC复合粉。将在600 A下经电磁感应加热合成的Al₂O₃-SiC复合粉添加至低碳MgO-C耐火材料（4 wt.%）中以提高其性能。结果表明，当引入2.5~5.0 wt.%的Al₂O₃-SiC复合粉时，低碳MgO-C耐火材料的性能得以显著改善：其显气孔率为7.58%~8.04%，体积密度为2.98~2.99 g cm⁻³，常温耐压强度为55.72~57.93 MPa，在1100 °C 热震3次空冷循环后的残余强度为74.86%~78.04%，1400 °C 氧化2 h后的脱碳层厚度为14.03~14.87 mm。因此，快速合成Al₂O₃-SiC复合粉的思路为低碳MgO-C耐火材料性能优化提供了一个选择策略。
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  钛铝酸钙在炮泥中的应用

  鞠茂奇，蔡曼菲，梁永和，聂建华，郭梦真

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1089-1100.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00664-5

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  钛铝酸钙由于其优异的耐火度以及低的热膨胀系数，常被用作耐火原料。不同粒度钛铝酸钙引入炮泥中，结果表明，当钛铝酸钙以骨料形式引入炮泥中，相对于细粉形式引入具有更好的高温力学性能，这是由于二者不同的烧结机理所导致的。钛铝酸钙骨料易与SiO₂反应形成液相包覆于表面，从而提升颗粒-基质间的结合能力，此外，液相能加速骨料内外物质交换的速率，在骨料内形成莫来石相互交错的结构。而钛铝酸钙细粉具有更高的比表面积，使得与SiO₂反应能在更低温度下进行且反应速率更快，因此难以形成类似于钛铝酸钙骨料的壳核类结构，同时过量液相的生成不利于试样的性能。与此同时，液相的形成堵塞了气孔并包裹在SiC颗粒表面，从而提升了试样的抗氧化性。抗侵蚀实验表明，钛铝酸钙以骨料加入的炮泥具有更优异的抗侵蚀性能。SEM和EDS结果表明，钛铝酸钙中的TiO₂转变为Ti(C,N)并分布在熔渣-试样的界面，由于其具有熔点高和与熔渣润湿角小的特性，能有效的阻隔熔渣的渗透与反应。
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  添加剂对BN-ZrO₂陶瓷抗钢液侵蚀影响研究

  钱凡，李化龙，杨文刚，郭海荣，刘国齐，李红霞，马北越

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1101-1109.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00696-x

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  采用热压烧结工艺制备了含有不同添加剂（SiC、Al₂O₃、MgAl₂O₄）的BN-ZrO₂陶瓷，并通过旋转浸入钢水试验研究了其烧结性能和抗侵蚀性，结果表明：SiC、Al₂O₃和MgAl₂O₄可以改善BN-ZrO₂陶瓷的烧结性能，碳化硅的引入可以显著提高材料的硬度，上述添加剂均有助于提高BN-ZrO₂陶瓷的耐磨性能；BN-ZrO₂陶瓷在钢液氛围下BN氧化成B₂O₃并立即挥发，氧化层与钢水接触后形成液相层，添加剂可以显著影响液相层的性能，m-ZrO₂晶粒通过液相的溶解-沉淀机制烧结和生长，特别是Al₂O₃和MgAl₂O₄更有利于固相骨架工作层的形成，并最终影响BN-ZrO₂陶瓷材料的抗侵蚀性能。
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  精炼钢包工作衬厚度监测及非连续式损毁机理

  霍艳竹，顾华志，杨娟，黄奥，马铮

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1110-1118.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00731-x

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  钢包是储存和转运钢水及炉外精炼的重要冶金容器，在炼钢与连铸之间具有承上启下的重要作用。在线监测钢包工作衬的厚度能有效保障精炼钢包的安全高效运行，也有助于减少钢水中非金属夹杂。本文开展了精炼钢包工作衬厚度的在线监测及数据分析，结果表明钢包工作衬耐火材料的损毁呈现出非连续式特征；基于侵蚀模型和裂纹扩展模型对渣线低碳镁碳砖的损毁和熔池刚玉基浇注料的损毁进行计算分析，阐明精炼钢包工作衬耐火材料的非连续式损毁机理，对精炼钢包内衬用耐火材料的优化具有重要意义。
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  周期性服役条件下透气塞蠕变对使用性能影响的数值模拟研究

  谭方关，金胜利，贺铸，梁雄，李亚伟，李静

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1119-1128.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-022-00749-9

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  透气塞的服役寿命是决定钢包停机时间和使用效率的关键因素，因此厘清透气塞的损毁机理可以为透气塞的材料和几何结构设计提供理论指导。本文采用数值模拟方法探究了周期性服役条件下透气塞的蠕变行为，并阐明了该行为对其使用性能的影响。首先，基于蠕变实验结果反向拟合出Norton–Bailey应力硬化蠕变模型的参数；随后，通过热固耦合模拟预测透气塞的蠕变行为。数值模拟结果表明，由于预热温度小于钢水温度，因而透气塞的温度在第一个周期性服役后才表现出周期性变化趋势。透气塞的蠕变强度呈层状分布，这也导致了透气塞工作端的层状剥落现象。此外，透气塞蠕变的孔周应变集中现象是导致其狭缝堵塞的重要原因之一。
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  六方氮化硼的粒径对铝碳耐火材料断裂行为以及抗热震性的影响

  纪子旭，刘文静，廖宁，李亚伟，朱天彬

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1129-1137.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-022-00750-2 (01234567

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  六方氮化硼具有和石墨相似的晶体结构，并且与石墨相比，其有着更好的抗氧化性以及抗钢水侵蚀性。这使得六方氮化硼可替代石墨来设计Al₂O₃-C耐火材料。通过楔形劈裂试验和微观结构分析，我们研究了六方氮化硼粒径对Al₂O₃-C耐火材料的力学性能以及断裂行为的影响。结果表明，添加较大尺寸的六方氮化硼有利于SiC晶须的原位形成以及生长，所以试样D10的有着最高常温抗折强度强度 (42.63 ± 3.10 MPa)。相比之下，较小尺寸的六方氮化硼可以诱导更多的裂纹沿着界面和基质内扩展，使得裂纹扩展路径更曲折，因此比断裂能、特征长度和热抗震性得到改善。所以，当引入的六方氮化硼粒径从10 μm减小到0.1 μm，Al₂O₃-C耐火材料的热震后残余强度保持率从35.5%升高到了42.5%。
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  Mg-PSZ纳米粉体的烧结动力学研究

  佘以明，郎杰夫，安迪，司超伟，罗旭东，谢志鹏，游杰刚

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1138-1144.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-022-00753-z

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  烧结动力学可以有效地判断陶瓷微观结构的演变过程。以共沉淀法制备的氧化镁-部分稳定氧化锆(Mg-PSZ)粉末为原料，研究了Mg-PSZ陶瓷的致密化和晶粒长大过程。结果表明，材料的致密化主要受到烧结中期的晶界扩散控制。晶粒生长机制主要包括正常晶粒长大，异常晶粒长大以及固溶拖拽晶粒长大。有趣的是，在固溶拖拽晶粒生长过程中，Mg-PSZ陶瓷晶粒生长的表观活化能远远低于ZrO₂-Y₂O₃陶瓷，这将会导致Mg-PSZ陶瓷的晶粒在烧结过程中更容易生长，限制Mg-PSZ陶瓷的常温力学性能。研究了Mg-PSZ陶瓷的烧结动力学和微观结构，建立了不同温度下晶粒长大的动力学方程。结果表明:Mg-PSZ陶瓷与钇稳定氧化锆陶瓷的强度差异与Mg-PSZ陶瓷易晶粒长大密切相关。
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  铝硅质胶凝材料的流变性及其结合刚玉浇注料的力学性能

  夏忠锋，陈昌昊，迟文昊，王周福*，刘浩，马妍，王玺堂

  钢铁研究学报(英文版). 2022, 29(7): 1145-1151.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-022-00776-6

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  偏高岭土是一种具有胶凝性的耐火原料，为了提高偏高岭土的结合强度，将其与可水合氧化铝及氧化硅微粉分别混合制备复合胶凝材料，并引入硅烷偶联剂对复合胶凝材料进行改性。对比研究了偏高岭土基复合胶凝材料及铝酸钙水泥结合刚玉浇注料的力学性能。结果表明，硅烷偶联剂可以改善复合胶凝材料的流变性，偏高岭土-氧化硅微粉复合料浆呈塑性流动，而偏高岭土-可水合氧化铝复合料浆呈假塑性流动。引入硅烷偶联剂可以降低偏高岭土-可水合氧化铝复合料浆的屈服应力值。相较于铝酸钙水泥-硅微粉结合浇注料，偏高岭土基复合胶凝系统结合浇注料烘干强度低，但偏高岭土-氧化硅微粉复合结合浇注料中、高温处理后的强度较高，且其高温抗折强度较优。