镶嵌微晶尖晶石铝酸钙水泥结合浇注料的水化-脱水动力学和高温性能

发布时间：2020-06-03 07:47

【摘要】：钢铁冶金技术的发展与进步,使得目前的铝酸钙水泥结合刚玉尖晶石质浇注料的服役环境更加苛刻。基于此,一种新型的结合系统被提出,即通过铝酸钙水泥的相组成设计与调控,在铝酸钙水泥的合成过程中原位形成亚微米尺寸镁铝尖晶石,且使其在微米区域范围内均匀分布于铝酸钙物相中,形成具有镁铝尖晶石镶嵌结构的新型铝酸钙水泥(SP-CA水泥),以提高浇注料的热震稳定性能和抗渣侵蚀性能。本文首先对国内外相关研究成果进行文献调研,并借助MgO-Al_2O_3-CaO相图对SP-CA的相组成进行调控,研究了SP-CA水泥中物相组成和粒度对刚玉尖晶石质浇注料性能的影响;通过对SP-CA水泥水化脱水动力学的分析,研究了水泥中亚微米尺寸尖晶石的镶嵌结构对水泥水化及脱水过程的影响;并在SP-CA水泥结合浇注料的脱水产物显微结构、物相间的反应机理及浇注料高温物理性能之间建立相关性。最后采用数值仿真研究了SP-CA水泥结合浇注料的裂纹扩展情况,揭示了亚微米尺寸尖晶石的引入对材料高温性能的优化机制。本文的相关研究成果可丰富刚玉尖晶石质浇注料的微观结构设计和性能优化理论。在第二章中,以白云石、氢氧化镁以及工业氧化铝为原料,经不同温度煅烧制备了SP-CA水泥。经1450℃煅烧制备的SP-CA水泥,尖晶石呈现规整的八面体形貌,晶粒尺寸为微米级(0.4-1.5μm)。而经1200℃和1300℃煅烧制备的水泥中的尖晶石晶粒尺寸减小为亚微米级,集中在0.1-0.3μm之间。本章通过调节水泥煅烧温度实现了尖晶石晶粒尺寸的可控性,为SP-CA水泥在浇注料中的应用提供多样性。第三章研究了SP-CA水泥中物相组成和水泥粒度对浇注料的影响。首先调控SP-CA水泥中尖晶石的含量由72%降低至50%,所制备浇注料的需水量降低,强度提高,但是热震稳定性下降。适当增加SP-CA水泥中CA_2的含量可以延长凝结时间。适当降低水泥粒度使得浇注料的加水量减小,强度提高,但是水泥粒度继续减小会降低浇注料的热震稳定性能。本章明确了SP-CA水泥中物相分布以及水泥粒度对浇注料的性能影响,可指导水泥的制备及优化浇注料性能。第四章研究了SP-CA水泥中尖晶石晶粒尺寸对水化过程的影响。水泥中尖晶石晶粒减小为亚微米尺寸后,可促进水泥的水化过程。在pH=10的浇注料料浆中,晶粒尺寸为微米的尖晶石表面带有负电荷,而当晶粒尺寸减小到亚微米尺寸后,其表面电荷改变为正电荷。此变化会促进水化产物CAH_(10)和AH_3晶核在尖晶石颗粒表面的产生,从而促进水化产物的结晶长大。水泥的水化过程直接影响浇注料的使用性能,所以提出亚微米尺寸尖晶石对SP-CA水泥水化动力学的影响机理,可以加深对这种新型水泥结合系统制备浇注料的理解。第五章通过研究SP-CA水泥结合刚玉质浇注料的脱水过程、脱水产物的物相组成及显微结构演变与浇注料高温性能的关系,分析了SP-CA水泥的脱水反应动力学,并在在脱水产物显微结构、基质物相间的反应及浇注料高温物理性能之间建立相关性。SP-CA水泥结合刚玉尖晶石质浇注料在热处理过程中显微结构与性能演变分为七个阶段。通过本章的分析可以清楚的了解亚微米尺寸尖晶石的引入对浇注料显微结构演变以及高温性能产生的影响,以及对浇注料的显微结构优化。第六章对比了SP-CA水泥与传统铝酸钙水泥结合刚玉尖晶石质浇注料显微结构特征、典型物理性能及抗渣性能,研究发现:添加镁砂细粉制备的浇注料经1100℃热处理后开始反应生成尖晶石,其体积膨胀效应在较低温度时可以提高材料的弹性模量和强度,但是在较高温度下体积的过度膨胀使材料性能下降。在添加预合成尖晶石的浇注料中,由于尖晶石颗粒尺寸较大,反应活性较低而难以参与CA_6的生成过程。使用SP-CA水泥制备的刚玉尖晶石质浇注料由于引入了大量亚微米尺寸尖晶石,可以显著提高材料的热震稳定性能和抗渣侵蚀性能。通过本章研究,明确了SP-CA水泥结合刚玉质浇注料的优劣势,对刚玉尖晶石质浇注料的性能优化具有指导意义。第七章对SP-CA水泥结合刚玉质浇注料的裂纹扩展进行了试验研究与仿真计算。采用XFEM法对浇注料裂纹扩展的计算结果表明,更小尺寸的孔隙可以降低材料热震过程中的应力集中现象,并且在有限的裂纹扩展过程中具有更大的形变,所以更小尺寸孔隙可以提高材料抵抗裂纹扩展的能力,进而提高材料的热震稳定性能。本章提出了SP-CA水泥结合浇注料热震稳定性能的优化机制,可以推广到其它体系材料中,丰富了材料的微结构设计和性能优化理论。
【图文】：

SEM图,晶粒尺寸,中尖,浇注料

1450 ℃煅烧 2h 后制备的 SP-CA 水泥的 SM photographs of cement specimens fired 人[22, 27]研究了煅烧温度对水泥中尖晶样中已有 CA 生成；1000 ℃合成试原料已经反应完全，其主要物相为为 1-2 μm，MA 晶粒尺寸约为 0.2-0.5CA2的晶粒尺寸为 3-5 μm，MA 晶粒温度可以控制 MA 的晶粒尺寸在纳米寸的尖晶石在浇注料中具有很好的应使用性能提供了思路。

显微形貌,浇注料,水泥,抗渣

（d）同温度合成的 SP-CA 水泥的显微形貌。（a）1100 ℃，（b）1300 ℃，（c）1（d）1500 ℃. 1.2 SEM photographs of cement specimens prepared at different temperatur含镁铝尖晶石的铝酸盐水泥结合刚玉质浇注料的高温性能有较多学者研究了 SP-CA 水泥对刚玉尖晶石质浇注料的高温使用，其对浇注料的性能提升作用主要集中在抗渣侵蚀性能和抗热震性，Khalil[30]等就对 SP-CA 水泥对浇注料强度的影响进行了研究，，泥结合浇注料在高温阶段收缩率低，并且具有较好的高温使用强度。W hrmeyer 等[20, 37]使用 SP-CA 水泥制备高刚玉尖晶石质浇注料合剂可将钢包浇注料的抗渣渗透和侵蚀能力提高 20%以上。国内学洪[28, 38]等在对 SP-CA 水泥合成与制备研究过程中，发现随着水泥多，刚玉浇注料强度增大，抗渣能力明显提高。段峰等人[21]研究了石和通过 SP-CA 引入尖晶石的刚玉尖晶石质浇注料，发现 SP-CA
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ172.7;TQ175.732

【参考文献】