耐腐蚀熔铸锆刚玉材料结构与性能均一化研究

Based on previous simulation study works on fused cast zirconia-alumina-silica materials, this application use the measured data,COMSOL Multiphysics software module and other software modules to determine the boundary conditions and calculation model to analyze the crystallization cooling mechanism of fused cast zirconia-alumina material, to analyze the distribution and changing rules of temperature, cooling rate, heat flux, thermal stress, shrinkage and related parameters,and to analyze the mechanism of generating defects(crack, shrinkage, chemical composition segregation and uneven distribution of performance)and its improving measures, so that we can establish the control theory and software to get uniform structure and performance of casting refractory with good corrosion resistant. All that can provide theoretical supports for casting refractory industry to optimize producing process, so that refractory enterprises can improve the qualified rate and quality of products, can reduce the cost and help the glass industry to save energy consumption. This is not only a theory attempt in casting refractory industry by using software simulation results to guide industrial production, but also a domestic and international first attempt in theory to analyze chemical composition segregation, uniform structure and performance, shrinkage and other defects of fused casting refractory. It can provide an effective theoretical guidance for fused cast refractory industry out of the low of economic crisis, and provide long life, uniform structure and performance of fused cast zirconia-alumina materials with good corrosion resistant for glass industry.

在前期模拟研究熔铸过程的基础上，利用实测数据、COMSOL Multiphysics软件模块及其他软件模块，通过确定边界条件和计算模型，分析熔铸锆刚玉材料的析晶冷却机理，温度、冷却速率、热通量、热应力、缩孔缩松等相关参数的分布变化规律，产品缺陷（裂纹、缩孔缩松、化学成分偏析和性能分布不均匀）产生的机理和改善措施，建立获得结构均匀、性能均匀的耐腐蚀熔铸耐火材料的控制理论，为熔铸耐火材料行业提供优化生产技术方案的理论支撑和实用软件，以便耐火企业能提高产品合格率和产品质量，降低成本，并协助玻璃行业节能降耗，这是熔铸耐火材料行业利用软件模拟结果指导工业生产的理论尝试，也是国内外首次从理论上深入分析熔铸耐火材料化学成分偏析、结构与性能不均匀、缩孔和缩松等缺陷产生原因的大胆尝试，便于为熔铸耐材行业走出危机提质增效，为玻璃行业选择长寿命、结构与性能均匀的、耐腐蚀熔铸锆刚玉材料提供有效的理论指导。

熔铸锆刚玉材料是玻璃窑关键部位不可替代的材料，目前生产成本高、合格率低，产品结构不均匀造成性能不均一因而使用寿命短，造成资源和能源浪费较大，亟待研究产品均一化机理和手段，开发高性能产品。本项目在国际上首次通过改进手段分析了电熔锆刚玉材料的高温性能随温度升高而变化的规律，首次利用原位观察法发现材料升降温过程中玻璃相和氧化锆相的相变精确温度以及裂纹的产生温度和过程，建立了模拟仿真模型，确定了边界条件，采用硅砂、刚玉砂、铸铁和石墨四种铸型材料分析了铸件在冷却过程中温度的变化规律，表明刚玉和铸铁做铸型时，铸件凝固时间早，且铸型厚度越大，这种差别越大。刚玉砂型热通量较大，且较大热通量分布的面积较大，可以使铸件的角部和表层区域晶粒较小，同时冷却析晶后材料组织结构和晶相分布更均匀，有利于形成性能均匀的锆刚玉材料，也有利于降低热应力。通过三因素四水平正交方案模拟分析，表明浇注时间是控制气孔形成的关键因素，砂型材料、浇注温度、保温材料影响铸件逐层凝固的方式，进而影响刚玉相和氧化锆相的分布均匀性，同时对控制缩孔缩松的形成也有一定的影响。为获得结晶均匀性高、性能均一、缩孔缩松小的致密铸件，模拟铸造工艺应控制在：浇注时间20s、浇注温度1770℃、硅砂（II）砂型（1000℃导热系数1.50W/(m•K)）以及粘土质材料（ii）保温层（1000℃导热系数1.04W/(m•K)）。加入不同添加剂对烧结锆刚玉材料密度、强度、氧化锆晶体的长大、锆铝共晶体的数量、晶粒大小及分布都有影响。加MoO3样品1580℃烧结2h后，强度高达615.0 MPa、加NiO样品显气孔率最小为0.74 %，同时氧化锆晶粒细小，材料抗玻璃液侵蚀渣性优良，加SnO2有利于减小氧化锆晶粒粒度。在最佳工艺制度和添加剂作用下，工业试验产品形成大量锆铝共晶体有序排列的新型结构，使材料密度大、气孔率低、抗腐性能好，证明项目成果的有效性。