Al2O3-MgO-CaO系耐火材料烧结行为及其性能的研究

Al2O3-MgO耐火材料以其良好的性能广泛应用于炉外精炼设备，但随着耐火材料和电解铝工业的发展，作为这两个行业主要原料的铝土矿资源日趋紧张；另一方面，由于Al2O3-MgO耐火材料中主晶相刚玉的密度较高，导致Al2O3-MgO耐火材料重量较大，不仅增加冶金企业的储运和使用成本，还容易因耐火材料蓄热导致热量损失增大。为适应冶金企业"节能减排"和冶金耐火材料"轻量化"的发展趋势，本申报项目拟利用资源丰富、密度较小的CaO原料替代部分刚玉原料制备致密Al2O3-MgO-CaO耐火材料，研究原料组成和添加剂种类对该体系耐火材料烧结行为、显微结构和性能的影响规律及其作用机制，建立该体系耐火材料烧结动力学模型，确定原料组成与显微结构和性能之间的内在联系，掌握该体系耐火材料的损毁机理，研究该体系耐火材料与钢液之间的反应及其对钢液质量的影响，为Al2O3-MgO-CaO耐火材料的开发提供理论依据。

Al2O3-MgO质和Al2O3-MgO-C质耐火材料因其良好的性能而广泛应用。但该体系耐火材料体积密度较大，不适应耐火材料“轻量化”和节能减排的发展需求。此外，随着铝土矿资源短缺，导致生产成本不断升高。针对上述问题，本研究通过利用石灰(CaO)替代部分氧化铝原料，研究了此三元体系耐火材料的内部化学反应、矿物组成和显微结构特点、烧结行为等关键科学问题，并考察了烧成制度及添加剂种类对该体系耐火材料烧结致密化行为、显微结构和力学性能的影响规律及其作用机制，为新型耐火材料的开发提供理论依据。研究结果表明：.(1) CaO的引入能使Al2O3-MgO体系耐火材料的烧结开始温度从1300oC降低至1100oC，这主要是由于当烧成温度由1100°C升至1200°C时，CA2晶粒间键连显著加强，晶粒明显长大。此外，添加适量的CaO (8%)不仅能有效地促进1600oC烧成后Al2O3-MgO体系耐火材料的致密化，还能降低其体积密度，实现其轻量化。.(2) CA6片状结构的形成不利于该体系耐火材料的致密化：而当CaO添加量为8%时，由于CA2晶粒的良好发育，消除了一部分气孔，一定程度上抑制了片状晶粒的发展，导致其致密化过程相对较快，因此在本研究中，该配比(CA2-MA-CA6)被认为是Al2O3-MgO-CaO体系耐火材料的最佳配比。.(3) ZrO2和TiO2添加剂能固溶到该体系耐火材料中的CA6相中，降低了表面能各向异性，从而抑制了CA6晶粒沿基面异常长大，并促进其各向同性生长，使其由片状形貌向等轴形貌转变，从而极大地促进了该体系耐火材料的致密化。MnO添加剂能固溶到该体系耐火材料中的MA相中，从而促进了MA的发育和致密化过程。BaO添加剂的引入能减少该体系耐火材料中MA和CA6相的含量，并促使CA2相含量增加，而CA2相良好的烧结性能极大地促进了该体系耐火材料的烧结致密化过程。.(4) ZrO2、TiO2、MnO和BaO添加剂能极大地提高该体系耐火材料的常温抗压强度和常温抗弯强度。这主要是由于气孔率及气孔尺寸的显著下降且没有引起晶粒的明显粗化。此外，所有添加剂还能促进断裂韧性值的提高。这一方面是由于晶粒间键连强度的增强以及低断裂能基面数量的减少，导致抵抗裂纹生成的能力增强。另一方面，由于添加剂的引入所导致的微裂纹、裂纹偏转和裂纹桥，提高了抵抗裂纹传播的能力。