MgOCaZrO3质浇注料的制备与性能研究开题报告

河北联合大学本科生毕业设计开题报告题目：MgO-CaZrO3质浇注料的制备与性能研究学院：材料科学与工程学院专业：无机非金属材料工程班级：09材料（一）班姓名：孙敬芝学号：200908010102指导教师：王榕林2013年3月5日一、选题背景（含题目来源、应用性和先进性及发展前景等）我国耐火材料经过多年的发展已基本形成了科研-设计-生产-应用的产业体系,为我国工业的发展起到了重要的作用。但是我国耐火材料产业与国外比较仍有很大差距，主要表现在以下两个方面：1耐火材料企业规模小、装备差,在我国改革开放的大形势下，往往一个品种很多企业同时生产,形成低水平重复的局面。加之数量众多企业无序竞争，竞相压低价格，造成以偷工减料为手段的降低成本，致使本来装备落后、产品质量差的状况更加严重，令人担忧。2科研成果转化生产产业化的速度慢。耐火材料是钢铁、水泥、玻璃、有色金属等工业的重要基础材料。很多成果在市场需求的情况下进行了生产转化，但足一些技术含量高、生产难度大、技术附加值相对高的科技成果生产转化的速度较慢，迟迟不能形成大批量生产的能力，不能及时为高温工业的发展服务。耐火材料行业肩负着如何适应其发展的艰巨任务。镁钙系耐火材料具有一系列优良性能，特别是具有净化钢液功能，是冶炼洁净钢的理想耐火材料[1-6]，不断受到钢铁企业重视。随着钢铁冶炼条件苛刻，对耐火材料质量要求越来越高，必须不断研究提高现有耐火材料质量。禁止镁铬材料的环境保护条例也引发了在强度和高温性能上有所提高的新晶相结合氧化镁质材料的研究。在镁质耐火材料中引入CaO和ZrO2,在烧成过程中可生成高熔点的CaZrO3而改善材料的性。MgO-CaZrO3这种复合物具有良好的烧结性、机械和耐火性能。MgO-CaZrO3制备：一些研究者对氧化锆-白云石烧成反应机理进行了研究。从而证实了氧化锆-自云石混合物烧成反应是形成MgO-CaZrO3，复合材料的可行路线。对天然埃及白云石和菱镁矿进行粉碎、研磨和筛分，制备出751um的粉末。通过湿法对一部分粉末进行了化学分析。初始料的化学分析列于表1。根据以下反应式准备了白云石和ZrO2的批料。CaMg(CO3)2+ZrO2=CaZrO3+MgO+2CO2(1)制备了MgO(来自纯镁砂)与ZrO2等比例的第二批料。白云石-氧化锆和镁砂-氧化锆混合物的烧成反应是制备氧化镁基结构材料的一种方法，与那些从完全纯的化学物质中制备方法相比较更有潜力且成本低。温度超过600℃，白云石与氧化锆反应首先放出CO2，白云石分解形成[CaO-MgO]，然后与氧化锆反应形成。在高温下，在白云石-氧化锆和镁砂-氧化锆复合物中都形成了少量的玻璃相。这是由于存在来自于白云石和镁砂颗粒的少量杂质。通过毛细管作用这些玻璃相扩散到气孔中，这可大大改善烧成工艺。尽管CaO和MgO具有相同的岩盐结构．固溶体的晶格常数却完全不同(分别为0.4811和0．421lnm)。于是CaO和MgO颗粒彼此相互抑制颗粒发育。由于在白云石高温分解期间所形成的CaO是少量，但化学活性强，它很容易与ZrO2选择性进行反应从而形成CaZrO3。并且，CaO向ZrO2扩散形成CaZrO3，从而促进MgO-CaZrO3致密化。表1初始料的化学分析/%CaOMgOSiO2Fe2O3Al2O3TiO2ZrO2灼烧白云石镁砂氧化锆30.401.35—21.2046.21—0.10.27—0.070.37—0.150.45—0.01————9947.2051.31—图5示出了1600℃烧结复合物的横截面和断裂面的显微照片。此图分别示出了MgO-CaZrO3，和MgO-ZrO2：复合物致密和均匀的显微结构。在图5(a)中主要观察到是簇状CaZrO3，(点mz)，除方镁石(点m)直接结合CaZrO3，晶体结合所表现出的规则晶体之外，形成了一个完整致密的显微结构。图5MgO-CaZrO3(a)和MgO-ZrO2(b)复合物的显微结构在镁质耐火材料中引入CaO和ZrO2,在烧成过程中可生成高熔点的CaZrO3而改善材料的性能。所形成的MgO-CaZrO3耐火材料的性能特点如下:1)机械性能：MgO-CaZrO3和MgO-ZrO2复合物的常温耐压强度。发现常温耐压强度随烧成温度增加而快速增加。MgO-CaZrO3复合物在不同烧成温度下具有独特的机械性能，是MgO-ZrO2值的两倍。这是因为具有较高的致密性，即这些复合物比MgO-CaZrO3，具有更低的气孔，在MgO和CaZrO3之间具有较高的直接结合性。白云石一氧化锆混合物的完全致密显微结构可以解释它具有独特的烧结和机械性能[8]。2)耐火性能：这些复合物的晶相成分(即：在白云石一氧化锆混合物中的CaZrO3和方镁石或在MgO-ZrO2混合物中的方镁石和氧化锆)具有很好的耐火性能。所有形成晶相的性能为：高的耐火度(MgO：2800℃，ZrO2：2700℃和CaZrO3：2345℃)，低抗热膨胀性和良好的体积稳定性。这些复合物具有好的烧结性、机械和耐火性能．可以在各种耐火材料的实际应用中使用，特别是在烧制石灰、白云石、镁砂、波特兰水泥所用的回转窑和竖窑,作为高温环境下所用的高级工程材料。在1500℃重烧时的体积稳定性和空气中忽冷忽热连续循环的抗热震性证实了这些复合物具有较高的耐火等级。在烧成后，所有实验试样表现出的膨胀或收缩±1.这都在耐火骨料所设定的体积稳定范围之内。它们也可承受在空气中加热-淬冷连续循环超过20次,且无任何裂纹或断裂痕迹。这就意味着所研究的复合物中的物理变化，及伴随着方镁石和/或CaZrO3和/或ZrO2结晶，和来自于杂质氧化物的液相形成。这几乎都完全发生在温度上升到1600℃的烧结期间。3)热震稳定性较好:MgO-CaZrO3砖具有良好的热震稳定性。即使添加少到2%的ZrO2也会提高砖的热震稳定性。其中存在的ZrO2和CaZrO3提高了砖的韧性。ZrO2的热导率只有方镁石的1/2,而CaZrO3的则比方镁石的低得多。这种热导率之间的差异,导致砖中产生微裂纹,微裂纹的存在可以吸收、分散材料内的热应力,从而提高材料的韧性和抗热震性能。4）抗侵蚀性好：MgO-CaZrO3耐火材料具有很好的抗化学侵蚀性[9]。5）抗水化性好：含游离CaO材料最大的缺点就是CaO易水化而导致材料粉化。而MgO-CaZrO3材料结构致密,气孔封闭,方镁石晶粒发育完好,边界非常明显,晶粒间的间隙少,直接结合程度高。其中的圆形CaO晶粒和其他含CaO的物相被包围在方镁石网格的间隙中(封闭于方镁石晶粒之间)[10],极大地减少了CaO水化的几率,并且由于CaZrO3的形成,一部分CaO被ZrO2固定结合,不易发生水化反应,从而使MgO-CaZrO3材料抗水化性能提高了75[7]倍以上,明显优于白云石砖。发展前景：通过多组数据试验来研究达到MgO-CaZrO3最佳质量和性能的原料配比，来满足钢铁、水泥、玻璃、有色金属等行业的技术进步和快速发展对耐火材料的要求，从而进一步促进我国耐火材料工业的发展。使耐火材料产业整体的技术水平和产品结构等方面与国际先进水平靠近。面对国内高温工业技术的飞速发展和加人WTO后形成的机遇和挑战，我国耐火材料工业将不断地寻找发展出路。二、实验方案（含实验研究主要内容、方法手段及预期达到的目标等）主要实验内容：以烧结MgO颗粒、CaZrO3颗粒和CaZrO3粉为原料，探讨CaZrO3引入形式和用量对MgO-CaZrO3质浇注料的性能、相组成及其显微结构的影响规律。方法手段：以烧结MgO颗粒、CaZrO3颗粒和CaZrO3粉为原料，采用三联模经浇注制备出MgO-CaZrO3质浇注料试样，确定其施工性能；经高温烧成前后测定其性能、XRD分析及SEM-EDS分析，探讨CaZrO3引入形式和用量对MgO-CaZrO3质浇注料的性能、相组成及其显微结构的影响规律。MgO-CaZrO3质浇注料配料表（%）试验号95镁砂CaZrO3铝酸盐水泥(外加)951硅灰三聚磷酸钠Fe2O3（外加）5-3mm3-1mm1-0mm-200目1-0mm-200目040201521.50003.50.150.1140201516.5—523.50.150.1240201511.5—1023.50.150.134020156.5—1523.50.150.14402010适量5适量23.50.150.1540205适量10适量23.50.150.1640200适量15适量23.50.150.1试样制备与性能检测1、适宜且相同流动度条件下的拌和用水量测定（振动台持续振动2~3min）2、110℃×24h线变化率、显气孔率、体积密度、常温抗折和耐压强度；3、1000℃×4h线变化率、显气孔率、体积密度、常温抗折和耐压强度；4、1500℃×4h线变化率、显气孔率、体积密度、常温抗折和耐压强度、热震稳定性、高温抗折强度、抗渣侵蚀性能、XRD和SEM-EDS分析预期目标：确定出MgO-CaZrO3质浇注料的适宜制备工艺与性能三、进度安排2013.2.25-2013.3.5查阅文献资料，撰写开题报告按计划完成2013.3.6-2012.5.15试验研究2013.5.16-2013.6.5整理撰写毕业论文2013.6.6-2013.6.12准备毕业答辩四、参考文献[1]钟香崇．展望新一代优质高效耐火材料[M]。耐火材料，2000，37(1)：1-10[2]钟香崇．我国耐火材料工业在新世纪战略发展的思考[J]．钢铁，2003，38(9)：72-77[3]陈肇友，李红霞．镁资源的综合利用及镁质耐火材料的发展[J]．辽宁镁质材料行业技术刨新院士行学术报告文集，2004，26-50[4]JiaTM,AnGY,CheSX.GrainGrowingDynamicsofMgO-CaOCompositeCeramics.ActaMetallurgicaSinica(EnglishLetters)，2000，13(6)：1155-1158[5]LiN.ThinkingaboutSomeProblemsRelatedtoRefractoriesfortheNewCentury[J].RefractoriesApplications,2001,(2):8-9[6]JoonhoLEE,KazukiMofita.DynamicInteffacialPhenomenabetweenGas,LiquidIronandSolidCaOduringDesulfurization[J].ISUInternational,2004，44(2)：235-242[7]王诚训,张义先,于青.ZrO2复合耐火材料[M].北京：冶金工业出版社，1997[8]胡四海，朱伯铨．组成对MgO-ZrO2-CaO系合成料结构与性能的影响[J]．武钢技术，2003，41(6)：17-28[9]张芸，陈树江，窦叔菊．TiO2对烧成镁钙砖烧结性能的影响[J]．耐火材料，2003，37(1)：38-39[10]于景坤，姜茂发．耐火材料性能测定与评价[M]．北京：冶金工业出版社，2004