納米三氧化二鋁(VK-L30)在耐火材料里的應(yīng)用
1, 納米復(fù)合剛玉磚及鎂鉻磚
采用一定的混合工藝,將少量的納米粉添加到配料組成系統(tǒng)中。如在剛玉磚的配料中加入少量納米氧化鋁(VK-L30,30納米,99.99%)和納米二氧化硅(VK-SP30),在鎂鉻磚的配料中加入納米三氧化二鐵,均可以明顯地提高試樣的力學(xué)性能指標(biāo)。
納米二氧化硅(VK-SP30)復(fù)合剛玉磚抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度的實驗測試結(jié)果表明。納米二氧化硅的加入,可大幅度地提高試樣的力學(xué)性能,特別是加入適量的1%-2%時,經(jīng)1450,1550℃燒成的試樣,其強(qiáng)度與沒加納米材料的相比增加了1.5~2.0倍,如以無納米粉的試樣和加入2%納米二氧化硅(VK-SP30)時的試樣相比,耐壓強(qiáng)度則分別從15.8, 60.5MPa上升到170.4,179.6MPa。
經(jīng)1700℃×3h處理后的試樣斷口SEM照片,可看出,MgO-Cr2O3質(zhì)耐火材料中加入納米氧化鐵后顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。
2,納米復(fù)合材料Al2O3-SiC-C澆注料
Al2O3-SiC-C澆注料因其優(yōu)良的性能在鐵鉤中得到穩(wěn)定、廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高Al2O3-SiC-C澆注料的高耐溫性能,特別是高溫力學(xué)強(qiáng)度,用硅鋁凝膠粉替代純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑,它的引入可明顯地降低Sialon的生成溫度,并能促進(jìn)β-Sialon相的生成。因此,納米Al2O3-SiO2凝膠粉復(fù)合的Al2O3-SiC-C耐火澆注料具有高的高溫抗折強(qiáng)度(1400℃×0.5h)。
添加凝膠粉后,納米復(fù)合Al2O3-SiC-C澆注料中Sialon的生成溫度降低,中溫1100℃已發(fā)現(xiàn)β-Sialon,而采用水泥結(jié)合的Al2O3-SiC-C澆注料,在1100℃時只出現(xiàn)Si2N2O過渡相。
這類納米復(fù)合Al2O3-SiC-C耐火澆注料已完成在國內(nèi)某鋼廠2號高爐內(nèi)(1536m3)主溝(包括砂口)上的工業(yè)試驗。在不修補(bǔ)的情況下一次性通鐵量達(dá)到15.79t,超過同類非納米復(fù)合Al2O3-SiC-C澆注料12t的水平,目前正在國內(nèi)其他鐵廠高爐溝上推廣應(yīng)用。
3, ZrO2/ZrO2復(fù)合及Cr2O3/MgO-Cr2O3復(fù)合耐火材料
ZrO2質(zhì)定徑口擴(kuò)徑快速率決定著小方坯連鑄的壽命。分析表明,擴(kuò)徑的主要原因是制品強(qiáng)度低,氣孔大,因此采用納米技術(shù)降低ZrO2質(zhì)定徑水口的氣孔,有望能提高其使用性能。
納米二氧化鋯(VK-R30Y3,30納米,99.9%)復(fù)合后的ZrO2定徑水口坯體,經(jīng)1500℃×6h燒成后與納米復(fù)合前的ZrO2定徑水口經(jīng)1800℃×6h燒成后的體積密度和顯氣孔率相同,且納米復(fù)合后試樣經(jīng)800℃×6h燒成后,其中的顯氣孔率從19%降到11%。其孔徑和孔容均變小,多數(shù)集中在10nm.可見,納米氧化鋯(VK-R30Y3)主要充填于氣孔中起著充填作用并促成燒結(jié)。
MgO-Cr2O3質(zhì)耐火材料的燒結(jié)機(jī)理為蒸發(fā)-凝結(jié)過程,由于Cr2O3在高溫?zé)Y(jié)條件下存在著易蒸發(fā)性及高的蒸發(fā)速率,因此一般的鎂鉻質(zhì)耐火材料均存在顯氣孔率高、孔徑大、體積密度低等缺點,從而影響著其抗熔渣的侵蝕性能。
納米技術(shù)對降低鎂鉻質(zhì)耐火材料的顯氣孔率、提高其體積密度有利(見圖9),從而有望能提高處理后的鎂鉻磚的抗渣性能。從顯微結(jié)構(gòu)上看,不管經(jīng)多少溫度處理,用MgO-Cr2O3溶膠處理后的孔周圍均形成了一層致密的MgO-Cr2O3質(zhì)沉積層。
4,包覆納米氧化物薄膜石墨
碳具有不易被鋼水和熔渣所濕潤以及高的導(dǎo)熱性能等特征,加入到以氧化物為主的澆注料中能使其性能得到大大的改善,因此,目前含碳澆注料的研究和開發(fā)已成為耐火材料行業(yè)中的一個熱點。由于水對石墨表面的不濕潤性,使石墨在澆注料中難于分解,影響澆注料的流動性,這已成為妨礙含碳澆注料進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用的首要問題。
為對石墨表面進(jìn)行改性處理,通過各種無機(jī)鹽的水解,在天然鱗片石墨表面包覆納米氧化物薄膜。
各種氧化物納米薄膜包覆的石墨經(jīng)500℃處理后,其表面包覆的氧化物均以無定形的方式存在,包覆于石墨表面的氧化物與石墨形成了C-O-M(M代表金屬)鍵,具有化學(xué)吸附的特征。石墨經(jīng)納米氧化物包覆后顆粒形狀發(fā)生了變化,其平均粒度增加,表面分?jǐn)?shù)維數(shù)增加。圖11(a)為未包覆的石墨,圖11(b)為三氧化二鋁包覆石墨,圖11(c)為三氧化二鉻包覆石墨,圖11(d)為二氧化鈦包覆石墨,圖11(e)為二氧化鋯包覆石墨。
納米氧化物包覆石墨與水的濕潤角相對于未處理石墨都大大地降低,包覆三氧化二鋁的石墨表現(xiàn)出更為良好的親水型,分散穩(wěn)定性能高。
另外,包覆納米三氧化二鋁(VK-L30)的石墨的氧化反應(yīng)表觀活性能提高,抗氧化能力增強(qiáng)。石墨表面包覆二氧化鈦對抗氧化性無大的改善,包覆納米二氧化鋯和三氧化二鉻的石墨的抗氧化能力降低,這是二氧化鋯和三氧化二鉻對碳-氧反應(yīng)的催化作用造成的。
采用納米技術(shù)能制備性能更優(yōu)的耐火材料。納米粉體確實對耐火材料的性能有明顯的提升作用。