铁水脱硫搅拌器用碳纤维增强莫来石浇注料结构与性能研究

【摘要】：铁水KR搅拌脱硫工艺是目前国内外钢铁企业铁水深脱硫的首选工艺。搅拌器是该工艺的唯一动力来源,由耐火材料外衬包裹金属芯和组成,由于其长期处于热震与铁水冲刷的工作环境中,对外衬耐火材料的整体性、热震稳定性和抗冲刷性提出高要求,使钢纤维增强莫来石浇注料成为目前搅拌器主流外衬耐火材料。随着铁钢界面技术的不断进步,铁水脱硫温度不断升高,搅拌器耐火材料外衬热震温差不断增大,导致莫来石浇注料中钢纤维高温膨胀、熔融加剧,失去其增强效果的同时,加剧搅拌器内部缺陷和破损,使搅拌器服役寿命明显下降。因而,为了应对更高温的铁水预处理环境,需以合适增强相取代钢纤维。碳纤维是一种新型非金属材料,含碳量高达90 wt.%,具有高强度、高模量、热膨胀系数小、非氧化环境下耐高温性好等优点,常与陶瓷材料、碳材料、金属材料、混凝土等复合,改善材料性能。然而,由于碳纤维表面疏水且含碳量高,将其引入耐火材料仍然存在较多问题,如分散不均、空气气氛高温下易氧化及与材料界面结合性差等。因此,本论文拟通过碳纤维表面改性与修饰,改善碳纤维高温抗氧化性及其与耐火材料间的界面结合性,并通过分散剂调节其分散行为,从而解决碳纤维在耐火材料中分散不均的问题,达到耐火材料碳纤维增强的目的;随后,在碳纤维改性与分散研究基础上,将其引入莫来石浇注料中,以改善浇注料热震稳定性和力学性能,并分析研究浇注料常温和高温下的增强机理;最后,采取数值模拟手段,对比分析不同莫来石浇注料搅拌器服役过程温度场和应力场的变化规律,并开展了两种浇注料搅拌器的工业对比试验研究。得出如下结论:(1)碳纤维表面改性与分散:(1)合适的热处理温度和时间可氧化分解碳纤维表面环氧树脂上胶剂而不损伤碳纤维本体;(2)除胶后,经10 wt.%硝酸溶液浸泡10 h的碳纤维比表面积和官能团增加,提高其与浇注料间的界面结合;(3)10 wt.%二氧化硅溶胶可在3～4mm碳纤维表面形成覆盖程度好且厚的SiO_2涂层,原位气固反应法可在碳纤维表面生成SiC涂层,均可提升碳纤维抗氧化性及其与浇注料间的界面结合性;(4)PVP所带吡咯烷酮五环结构基团可与碳纤维形成π-π共轭作用,起到空间位阻的作用,提高碳纤维在水基材料中的分散稳定性,最佳分散剂溶液浓度为0.6 wt.%。(2)碳纤维对莫来石浇注料性能的影响:(1)碳纤维加入量和长度为0.1 wt.%和3 mm时,其在浇注料中分散均匀,增加与浇注料间结合界面,且适宜的长径比使增强增韧效果达到最佳,浇注料力学强度可提高40%以上;(2)高温处理后浇注料中碳纤维及其氧化形成的纤维状孔可消耗裂纹扩展能量,使热震裂纹偏转、减弱,其热震后强度保持率提高20%以上;(3)表面包覆SiO_2和SiC涂层的碳纤维(CF/SiO_2和CF/SiC)抗氧化性较好,浇注料力学强度提高30%以上,1450℃处理CF/SiC试样内有SiC晶须生成,改善浇注料抗热震性,强度保持率提高约10%。(3)碳纤维增强莫来石浇注料机理及性能调控:(1)在模拟莫来石浇注料加热过程中内部环境条件下,碳纤维高温处理后表面生成SiO_X微球,提高碳纤维与基体间的结合性,从而提高浇注料力学性能;(2)碳纤维增强莫来石浇注料在高温热处理后内部发现互锁且表面包覆SiO_X的SiC晶须(SiC/SiO_X晶须),其数量随着碳纤维添加量增大而增加,该晶须可阻止裂纹的扩展与传播,从而提高浇注料的力学性能;(3)埋炭环境下热处理后碳纤维增强莫来石浇注料内生成大量SiC/SiO_X晶须且玻璃相较少,其热震稳定性较空气环境下热处理浇注料有极大提升;(4)硅粉加入可提高碳纤维增强莫来石浇注料抗氧化性和力学性能,二氧化硅微粉加入可提高碳纤维分散性和浇注料流动性,碳化硅加入可提高浇注料热震稳定性和抗渣性。(4)碳纤维增强莫来石浇注料搅拌器应力场模拟与服役情况:(1)通过ANSYS数值模拟对比分析常规莫来石浇注料搅拌器和碳纤维增强莫来石浇注料搅拌器服役条件下温度场和应力场发现,由于碳纤维增强莫来石浇注料的导热系数和热膨胀系数较小,其搅拌器表面温度上升慢,内部温度梯度小,热应力低,最大热应力降低约40%;(2)通过工业对比试验发现,碳纤维增强莫来石浇注料搅拌器的平均使用寿命较常规莫来石浇注料搅拌器延长50%左右。