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全氧燃烧玻璃窑用镁铝尖晶石耐火材料的制备及性能研究

刘江波  
【摘要】:全氧燃烧技术具有节约燃料、减小环境污染以及提高玻璃质量等优点,是玻璃工业的重要发展方向。随着该技术的发展,玻璃熔窑内温度及碱蒸汽、水蒸气等侵蚀性介质含量大幅度提高,并且可能在自身重力及相互应力作用下导致大碹顶部耐火材料受到严重侵蚀并产生较大的蠕变,这就对玻璃熔窑大碹用耐火材料的抗侵蚀性能和高温蠕变性能提出了更高的要求。相比于在这一技术领域目前已广泛采用的硅质、莫来石质及刚玉质耐火材料,镁铝尖晶石材料具有强度大、热膨胀系数小、热导率低及抗侵蚀性强等优点,有应用于全氧燃烧玻璃窑大碹用耐火材料的应用前景;由于镁铝尖晶石材料存在难烧结,强度不高、高温荷重条件下蠕变速率较大等问题,进行玻璃窑用镁铝尖晶石耐火材料的研究,提高其抗高温蠕变性能及抗气相介质侵蚀能力具有重要的意义和实用价值。基于此,本论文通过离子固溶活化晶格及在尖晶石晶界处构建力学性能优良的功能相来改善镁铝尖晶石材料的烧结性能、高温蠕变性能和抗侵蚀性能。引入ZnO,利用Zn~(2+)离子置换镁铝尖晶石中的Mg~(2+)离子活化晶格以促进镁铝尖晶石烧结;引入Y_2O_3,利用其与富铝尖晶石中的Al_2O_3原位反应形成低蠕变率钇铝石榴石相调节晶界结构,提高材料的蠕变性能;引入La_2O_3,利用其与富铝尖晶石中的Al_2O_3及MgAl_2O_4反应原位形成板片状高韧性的镁基六铝酸镧相来改善镁铝尖晶石材料的高温蠕变性能和韧性。在此基础上,探讨了镁铝尖晶石材料中掺杂离子赋存状态变化对其烧结性能、高温蠕变性能、抗碱蒸汽侵蚀及水蒸气侵蚀性的影响机理,为其在全氧燃烧玻璃窑大碹中的应用提供理论依据。研究主要结论如下:1.ZnO、Y_2O_3和La_2O_3三种添加剂均可有效地促进镁铝尖晶石烧结,促烧机理存在差异。Zn~(2+)离子可部分置换镁铝尖晶石中的Mg~(2+)离子形成固溶体,活化后的晶格中离子扩散和传质速率加快,尖晶石材料的烧结活化能降低;Y_2O_3引入后,一部分Y~(3+)离子固溶到镁铝尖晶石晶格中,另一部分与尖晶石中已固溶的Al_2O_3反应原位生成钇铝石榴石第二相均匀分布在尖晶石晶界上,提高了尖晶石材料的烧结活性;引入适量La_2O_3,可与尖晶石中已固溶的Al_2O_3原位反应形成板片状第二相镁基六铝酸镧,促进尖晶石烧结。2.在镁铝尖晶石耐火材料中引入适量ZnO、Y_2O_3及La_2O_3后,可分别通过固溶强化、原位形成钇铝石榴石及镁基六铝酸镧第二相提高其力学性能。当ZnO引入量为1.2 wt%时,材料的常温抗折强度、耐压强度和弹性模量分别由18.2MPa、57.0MPa和71.8GPa提高到23.2MPa、79.8MPa和90.5GPa;当Y_2O_3和La_2O_3添加量分别为2 wt%和0.4 wt%时,材料的常温抗折强度、耐压强度和弹性模量进一步提高。3.ZnO通过固溶强化提高镁铝尖晶石耐火材料的断裂能以及蠕变活化能。当ZnO的添加量为1.2 wt%时,材料的常温断裂能从122.2kJ/mol增大到378.6kJ/mol,1400℃的断裂能从212.6kJ/mol增大到447kJ/mol,压缩蠕变率从0.38%减小为0.14%,蠕变活化能由未添加ZnO的尖晶石耐火材料的799kJ/mol增大到960kJ/mol。低蠕变第二相钇铝石榴石的原位形成通过陶瓷相结合进一步提高了镁铝尖晶石耐火材料的断裂能以及蠕变活化能。当Y_2O_3的添加量为2 wt%时,材料的常温断裂能增大到405.1kJ/mol,1400℃的断裂能增大到759.8kJ/mol,高温压缩蠕变率减小为0.08%,蠕变活化能进一步增大到1088kJ/mol。板片状高韧性镁基六铝酸镧的原位形成可以通过晶界显微结构调控提高镁铝尖晶石耐火材料的断裂能以及蠕变活化能,且高温蠕变率接近零。4.引入ZnO虽然可以提高镁铝尖晶石质耐火材料致密程度,但因材料内气孔分布及平均孔径变化不大,对其抗碱蒸汽侵蚀性能的改善作用不明显;而引入Y_2O_3、La_2O_3后,可在镁铝尖晶石晶界处形成钇铝石榴石和镁基六铝酸镧将镁铝尖晶石晶粒包裹,不仅降低了镁铝尖晶石材料的显气孔率,还减小了气孔的平均尺寸,提高了材料的抗碱蒸汽侵蚀性能。镁铝尖晶石耐火材料在高温水蒸气环境中较为稳定,基本不发生化学反应,添加ZnO后对其抗水蒸气侵蚀性无明显影响。而添加Y_2O_3或La_2O_3后,使镁铝尖晶石中的CaO或CaO与Al_2O_3反应生成少量的CaAl_(12)O_(18)聚集在晶界上,导致镁铝尖晶石耐火材料的抗高温水蒸气侵蚀的能力略有降低。


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