具有普适性的MgO-SiO2-Si3N4-H2O体系转炉热修补料的应用基础研究

In order to replace traditional asphalt-based materials of high pollution and energy consumption with non-polluting, zero-emission inorganic gel combined MgO-SiO2-H2O system converter hot repair material，and solve the current problems of the poor time effectiveness in summer, the construction difficulty in winter as well as the low strength at high temperature, the content of this project is: firstly, based on the interface design, introduce some charged particles in this system, and the hydration of MgO is inhibited by forming a coating on its surface, thereby adjusting the rheology and long-term time effectiveness of water-based magnesium materials; besides, the activity of water in the system can be maintained through interfering the formation of hydrogen bonds and controlling the freezing point, so that the cementation and rheological properties can be improved for the construction in winter; furthermore, the content of impurities in the system is reduced via introducing the β-Si3N4 columnar crystal, and the β-Si3N4 columnar crystals based structure at a high temperature enhance the its service life. Finally, the elementary theory of the rheology, time effectiveness, cementation and high temperature strength will be established on the basis of surface adsorption, formation of hydrogen bonds, structural enhancement and low oxygen potential purification..The implementation of the project will break through the bottleneck of the promotion and application of environmental water-based heat repair materials, promote the replacement of asphalt-based repair materials, and reduce the emission of pollutants from the metallurgical industry. It has great significance to the protection of magnesite resources, the utilization of siliceous waste as well as the environmental protection.

为真正使无污染零排放无机凝胶结合MgO-SiO2-H2O体系转炉热修补料替代传统的高污染、高能耗的沥青系修补料，解决该体系面临的夏季时效性差、冬季难以施工及高温强度低等难题，本项目着眼于界面设计，通过引入荷电粒子，在质子化MgO表面形成覆膜抑制MgO水化，进而调节水基镁质材料的流变性和长久时效性；通过干扰氢键形成、控制冰点，保持水在该体系材料中的部分活性，改善冬季施工的胶结性和流变学性能；借助β-Si3N4柱状晶体的引入，减少体系中杂质的含量，构建出基于β-Si3N4柱状晶的高温结构，强化使用寿命;进而建立基于表面吸附、氢键形成、结构增强、低氧势净化等与该体系流变性、时效性、胶结性、高温强度等的应用基础理论。.该项目的实施将突破制约水系环保热修补材料推广应用的瓶颈，促进对沥青系热修补料的替代，实现钢铁流程污染物排放的减量化。对菱镁矿资源保护、硅灰废弃物利用及环境保护等都具有重要的意义。

为真正使无污染零排放无机凝胶结合MgO-SiO2-H2O体系转炉热修补料替代传统的高污染、高能耗的沥青系修补料，解决该体系面临的夏季时效性差、冬季难以施工等难题，本项目着眼于界面设计，通过引入荷电粒子，调节了水基镁质材料的流变性和长久时效性；改善了施工的胶结性和流变学性能。.通过对MgO表面结构进行了第一性原理计算模拟，分别计算了可能的(001)面、(110)面、 (111)面、(310)面等对水分子的吸附性能，(001)面对单分子水的吸附作用较弱，表现为物理吸附；在(110)面、(111)面和(310)均表现为解离吸附。H原子吸附在O位点上形成表面羟基，OH-被吸附在Mg原子上方，由于吸附氢原子，活性O位周围的Mg原子变得不稳定，对MgO转变为Mg(OH)2的形成过程进行了分析和阐述，形成了具体的物理图像；在第一性原理计算的基础上进行分子动力学研究，建立了分子动力学的研究模型，计算了吸附质分子的动力学过程，MgO表面对第二层水分子的吸附能力显著下降，只在内亥姆霍兹层形成稳定的吸附，SHMP大分子抢占水分子的吸附位点达到阻止表面水化的作用，有效缓解MgO与水的反应，另外体系中的Na+对水分子的吸附取向和位置分布有一定影响。研究了柠檬酸钠、木质素磺酸钠、APTES等添加剂对于MgO悬浊液的分散性的影响，柠檬酸钠性能最佳，使得体系长久处于一个稳定的离子双电层结构和稳定的电导率值，能够改变表面水的取向分布，从而达到抗水化的作用。同时也研究了不同的添加剂对MgO-SiO2-H2O体系稳定性、流变性和凝胶性能的影响。SHMP抢占表面活性吸附位点阻碍水化反应，能够改变表面水的取向分布，从而达到抗水化的作用。柠檬酸钠对材料体系的流变性能改善最大；聚丙烯酸可与材料中的MgO形成氢键而极大改善材料的流变性能，APTES可以加快M-S-H凝胶的形成，使材料快速的达到稳定的状态。.通过研究，确认了MgO材料的表面结构是可以通过添加剂及吸附剂等方式进行改善的，这为利用静电吸附、空间位阻等方案改善MgO系耐火原料的水化性能奠定了基础。更为进一步抑制水化造成的资源浪费和耐火材料的安全使用提供了支持，并积极推广到CaO等深受水化影响的其他材料上，为继续进行MgO系耐火材料、CaO系耐火材料等的表面结构设计，防水化性能的改善等打开了一个新的思路。