二氧化钛对铝酸钙水泥结合铝镁质浇注料中钠元素传质和低熔相形成与演化的影响机理

For the urgent requirements of high performance refractory castables regarding to new technology and process in iron and steel making industry, the effects of mineralizer TiO2 on alumina-magnesia refractory castables will be addressed in the this project. The influence of TiO2 on the occurrence of sodium, the amount and morphology of the low-melting phase in castables will be discussed by comparing the changes of the phase composition, microstructure, apparent porosity, expansion, and mechanical strength at room and high temperatures. The variation of the sodium migration by adding TiO2 and the distribution of TiO2 in the low-melting phase with the temperature will be clarified. The impact mechanism of TiO2 on the sodium transfer and the formation and evolution of the low-melting phase in calcium aluminate cement-bonded alumina-magnesia refractory castables will be demonstrated by electron microscopy and thermodynamic calculation. The establishment of the relationship between the amount of TiO2 and the properties will be benefit to achieve the microstructure and property tailoring under the optimum conditions and solve the fundamental related to the design and manufacture for high performance alumina-magnesia refractory castables. The results will provide theoretical guidance for the research and application of novel alumina-magnesia refractory castables, which could promote technological progress in industries.

本项目针对目前钢铁工业新技术新工艺对高性能不定形耐火材料苛刻性能的迫切需求，以铝镁质浇注料为研究对象，通过添加不同含量的矿化剂TiO2，比较铝镁质浇注料的物相组成、显微结构、显气孔率、热膨胀、常温和高温力学强度的变化，分析TiO2对钠元素的赋存状态、低熔相含量和形貌的影响，阐明在TiO2作用下钠元素的迁移和TiO2在低熔相中的分配随温度的变化规律。结合电子显微分析和热力学计算，揭示TiO2对铝酸钙水泥结合铝镁质浇注料中钠元素传质和低熔相形成与演化的影响机理。查明TiO2添加量与铝镁质浇注料性能之间关系，从而能够在最优化条件下实现对其显微结构和性能的控制和解决高性能铝镁质浇注料设计和制备的相关科学问题。为新型铝镁质浇注料的研发及工业应用提供理论基础和指导，推动行业的技术进步。

铝酸钙水泥结合铝镁质浇注料因其优良的抗渣侵蚀能力而被广泛用作钢包内衬材料。近年来，通过添加矿化剂来调控铝镁质浇注料的结构和性能已受到研究者和工程技术人员的重点关注。在目前原材料价格上涨的大形势下，如何高效利用原料获得最优性能耐火材料产品已显得尤为重要。在众多添加剂中，二氧化钛是最有效的多功能矿化剂之一。本项目通过研究二氧化钛与各组分原料间的反应、二氧化钛的粒度和不同的钛元素引入方式对铝镁质浇注料物相演化和性能的影响、氧化钠和二氧化钛对低熔相演化和其与氧化铝反应的影响，比较二氧化钛和其它矿化剂对铝酸钙水泥结合铝镁质浇注料性能的影响，揭示了二氧化钛对铝酸钙水泥结合铝镁质浇注料中钠元素传质和物相演化的影响机理。结果表明，在铝酸钙水泥结合铝镁质浇注料中，二氧化钛在低温下反应生成CaTiO3。随着温度升高，钛元素固溶于镁铝尖晶石和六铝酸钙并促进其形成，同时钛元素溶于CaO-Al2O3-SiO2系低熔相中使其与刚玉和氧化铝的反应加剧，于是更多的钠元素溶于低熔相中。当反应进行到一定程度，六铝酸钙从液相中析出，残留的富钠低熔相则分布于其间。另外，二氧化钛同时也具有促进浇注料烧结的作用。添加适量的TiO2会使浇注料的强度提高，热震稳定性增强。以TiO2作为矿化剂来调控铝镁质浇注料的性能时，需要考虑其对生成镁铝尖晶石和CA6原位反应以及物相形貌的影响、低熔相的演化和浇注料组分之间烧结的综合影响。本项目的研究为采用矿化剂优化制备新型高性能铝酸钙水泥结合铝镁质浇注料的设计和性能调控提供了理论基础。