纳米Cr2O3/MgCr2O4的制备及其对镁质耐火材料性能与结构的影响

论文摘要

Cr2O3具有独特、优良的抗渣侵蚀性能，而添加Cr2O3的含铬耐火材料是RH精炼炉、炼铜／镍炉以及水煤浆气化炉等关键部位不可替代的耐火材料。利用纳米技术提升现有含铬耐火材料性能是对现有含铬耐火材料发展的一种全新的思路。制备出纳米铬（Ⅲ）的氧化物粉体或溶胶-凝胶并应用于镁质耐火材料，来提高MgO-Cr2O3质耐火材料的使用性能，具有十分重要的工业意义。 本文通过纳米Cr2O3和镁铬尖晶石溶胶-凝胶／粉体的制备方法、工艺的研究，初步探讨了纳米Cr2O3和镁铬尖晶石粉体的烧结。探索了纳米Cr2O3和镁铬尖晶石溶胶-凝胶／粉体在镁质耐火浇注料应用的可能性，并将含铬溶胶应用于炼铜炉和RH精炼炉用镁铬砖的浸渍，研究含铬溶胶浸渍对镁铬砖性能的影响，得出以下结论： 1、利用化学沉淀法进行Cr2O3和镁铬尖晶石粉体／溶胶-凝胶的制备研究：分析了温度、沉淀剂和pH值对溶胶粒子成核以及晶粒大小的影响，试验了不同的干燥方法制备镁铬尖晶石前驱体粉体。采用超临界干燥制备的纳米粉体的粒径小而均匀；常规干燥工艺制备的前驱体粉末呈不规则形状，粉体内存在较多的团聚体，而一定温度的煅烧可以基本消除纳米粉体内的团聚体。探索了利用瞬间燃烧法制备纳米Cr2O3粉体的可能性，结果表明：使用该方法可一步合成纳米Cr2O3粉体。 2、制备的纳米Cr2O3和MgCr2O4应用于镁质耐火浇注料，初步探讨了纳米粉体／溶胶对镁质浇注料性能的影响，结果表明：添加燃烧法制备纳米Cr2O3的浇注料的性能逊色于添加常规干燥法制备的纳米Cr2O3粉体浇注料的性能；应用Cr2O3前驱体溶胶的镁质浇注料的体积密度和显气孔率尽管未得到明显的改善，但孔径分布结果却表明了浇注料孔径的微细化，这有利于浇注料耐蚀性和抗热震稳定性的提高。 3、采用直接沉淀法和均匀沉淀法制备含铬溶胶，将制备的含铬前驱体溶胶应用于镁铬砖真空浸渍，含铬前驱体溶胶浸渍的镁铬砖不会出现类似硫酸镁溶液浸渍后的盐析现象。实验结果表明： ①使用直接沉淀法制备的溶胶粒子为纳米尺度，因而含铬溶胶浸渍后镁铬砖的显气孔率和孔径分布得到一定程度的改善。②使用均匀沉淀法制备的含铬溶胶对镁铬砖进行真空浸渍，含铬溶胶的浸渍效果明显优于直接沉淀法制备含铬溶胶浸渍效果。镁铬砖在经含铬溶胶浸渍后，Cr2O3含量、显气孔率和孔径分布得到了较好的改善。在原有的理论基础之上，推导了适合利用压汞仪测定的孔径分布数据计算的三维Fractal公式，利用该公式将测定的孔径分布结果进行了三维分形维数计算，其结果表明，溶胶浸渍试样高温处理后气孔内表面平整度高于未浸渍试样。试验MgSO4溶液浸渍镁铬砖的性能，结果表明，MgSO4溶液浸渍试样的孔径分布和物理性能均得到了一定的改善，但其改善程度不如溶胶浸渍。③研究含铬溶胶浸渍对镁铬砖抗热震稳定性的影响。结果表明，含铬溶胶浸渍不会造成镁铬砖的抗热震稳定性下降。④研究溶胶浸渍前后的炼铜炉以及RH炉用镁铬砖抗渣性能的影响，结果显示，溶胶浸渍镁铬砖的抗渣性能优于未浸渍镁铬砖和MgSO4溶液浸渍镁铬砖。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究意义
• 第二章 文献综述
• 2.1 纳米材料的研究现状及进展
• 2.1.1 纳米材料的发展简史
• 2.1.2 纳米材料的特性、制备方法和表征
• 2.1.2.1 纳米材料的基本特性
• 2.1.2.2 制备纳米微粒的物理方法和化学方法
• 2.1.3 纳米微粒的干燥技术
• 2.1.4 纳米微粒的表征
• 2.1.5 纳米材料的分类及应用状况
• 2.1.5.1 纳米材料的分类
• 2.1.5.2 纳米材料的应用
• 2O₃的制备方法及应用'>2.1.6 纳米Cr₂O₃的制备方法及应用
• 2O₃的制备方法'>2.1.6.1 纳米Cr₂O₃的制备方法
• 2O₃的性能及其应用'>2.1.6.2 纳米Cr₂O₃的性能及其应用
• 2.1.7 纳米技术的发展趋势
• 2.2 含铬耐火材料的研究现状及进展
• 2O₃的主要性能'>2.2.1 Cr₂O₃的主要性能
• 2.2.1.1 铬的氧化物
• 2O₃与部分碱金属氧化物的相图分析'>2.2.1.2 Cr₂O₃与部分碱金属氧化物的相图分析
• 2O₃与含铬材料的蒸发'>2.2.1.3 Cr₂O₃与含铬材料的蒸发
• 2O₃的烧结'>2.2.1.4 Cr₂O₃的烧结
• 2O₃对镁质耐火材料性能的影响'>2.2.1.5 Cr₂O₃对镁质耐火材料性能的影响
• 2.2.2 镁铬质耐火材料的发展及应用
• 2.2.2.1 在钢铁行业中的应用
• 2.2.2.2 在炼铜炉上的应用
• 2.2.3 高铬耐火材料的发展及应用
• 2.3 含铬耐火材料的损毁机理
• 2.3.1 炉外精炼用镁铬砖的损毁机理
• 2.3.2 铜冶炼炉用耐火材料的损毁机理
• 2.3.3 高铬耐火材料在水煤气汽化炉中应用的损毁机理
• 2.4 本课题的主要研究内容与技术线路
• 2.4.1 课题的选择
• 2.4.2 主要研究内容
• 2.4.3 研究技术路线
• 2O₃的制备、性能表征及烧结'>第三章 纳米Cr₂O₃的制备、性能表征及烧结
• 2O₃粉体的制备'>3.1 纳米Cr₂O₃粉体的制备
• 3.1.1 反应过程的控制及机理
• 3.1.2 前驱体的制备工艺及干燥
• 2O₃的性能表征'>3.1.3 不同干燥工艺制备纳米Cr₂O₃的性能表征
• 2O₃前驱体的TG-DSC和XRD分析'>3.1.3.1 纳米Cr₂O₃前驱体的TG-DSC和XRD分析
• 2O₃的BET分析及TEM观察'>3.1.3.2 纳米Cr₂O₃的BET分析及TEM观察
• 3.1.4 小结
• 2O₃的研究'>3.2 燃烧法制备纳米Cr₂O₃的研究
• 3.2.1 燃烧法制备纳米粉体的基本原理和工艺
• 2O₃粉体的XRD及BET分析'>3.2.2 纳米Cr₂O₃粉体的XRD及BET分析
• 3.2.3 粉体的TEM观察及粒度分布
• 3.2.4 小结
• 2O₃粉体与工业Cr₂O₃粉体的烧结'>3.3 纳米Cr₂O₃粉体与工业Cr₂O₃粉体的烧结
• 2O₃的相对密度及XRD分析'>3.3.1 纳米Cr₂O₃的相对密度及XRD分析
• 3.3.2 试样的SEM观察及讨论
• 3.3.3 小结
• 3.4 本章小结
• 第四章 纳米镁铬尖晶石的制备、性能表征及烧结
• 4.1 纳米镁铬尖晶石的制备
• 4.1.1 反应机理
• 4.1.2 前驱体的制备工艺和干燥
• 4.2 不同干燥工艺制备纳米镁铬尖晶石的性能表征
• 4.2.1 镁铬尖晶石前驱体的TG-DSC及XRD分析
• 4.2.2 纳米镁铬尖晶石的BET分析
• 4.2.2.1 超临界干燥
• 4.2.2.2 常规工艺干燥
• 4.2.3 纳米镁铬尖晶石的粒度分布及TEM观察
• 4.2.3.1 超临界干燥
• 4.2.3.2 常规干燥
• 4.2.4 小结
• 4.3 纳米镁铬尖晶石与工业镁铬尖晶石粉体的烧结
• 4.3.1 试样的相对密度及相对密度
• 4.3.2 试样的SEM观察及讨论
• 4.3.3 小结
• 4.4 本章小结
• 2O₃／MgCr₂O₄在镁质耐火浇注料的应用研究'>第五章 纳米Cr₂O₃／MgCr₂O₄在镁质耐火浇注料的应用研究
• 2O₃／MgCr₂O₄粉体在镁质耐火浇注料中的应用研究'>5.1 纳米Cr₂O₃／MgCr₂O₄粉体在镁质耐火浇注料中的应用研究
• 5.1.1 实验目的及方案
• 5.1.2 实验结果分析
• 2O₃的应用研究'>5.1.2.1 燃烧法制备纳米Cr₂O₃的应用研究
• 2O₃粉／镁铬尖晶石前驱体粉体的应用研究'>5.1.2.2 常规干燥制备的纳米Cr₂O₃粉／镁铬尖晶石前驱体粉体的应用研究
• 5.1.3 小结
• 2O₃前驱体溶胶在镁质耐火浇注料中的应用研究'>5.2 纳米Cr₂O₃前驱体溶胶在镁质耐火浇注料中的应用研究
• 5.2.1 溶胶的制备
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.2.3 小结
• 5.3 本章小结
• 2O₃／镁铬尖晶石前驱体溶胶浸渍镁铬砖的实验研究'>第六章 Cr₂O₃／镁铬尖晶石前驱体溶胶浸渍镁铬砖的实验研究
• 6.1 含铬溶胶的制备、浸渍及试样性能检测方法
• 6.1.1 含铬溶胶的制备
• 6.1.2 真空浸渍工艺
• 6.1.3 试样的性能检测方法
• 6.2 直接沉淀法制备的含铬溶胶浸渍对炼铜炉镁铬砖性能的影响
• 2O₃前驱体溶胶浸渍镁铬砖的实验研究'>6.2.1 Cr₂O₃前驱体溶胶浸渍镁铬砖的实验研究
• 6.2.2 镁铬尖晶石前驱体溶胶浸渍镁铬砖的实验研究
• 6.2.3 小结
• 6.3 均匀沉淀法制备的含铬前驱体溶胶浸渍对炼铜炉镁铬砖性能的影响
• 2O₃前驱体溶胶对镁铬砖浸渍的实验研究'>6.3.1 Cr₂O₃前驱体溶胶对镁铬砖浸渍的实验研究
• 6.3.1.1 对镁铬砖化学和物理性能的影响
• 6.3.1.2 对镁铬砖抗渣性能的影响
• 6.3.2 镁铬尖晶石前驱体溶胶对镁铬砖浸渍的实验研究
• 6.3.2.1 对镁铬砖化学和物理性能的影响
• 6.3.2.2 对镁铬砖抗渣性能的影响
• 6.3.3 小结
• 6.4 溶胶浸渍对RH精炼炉用镁铬砖性能的影响
• 6.4.1 镁铬砖的气孔分布及其物理性能对比
• 6.4.2 镁铬砖的抗热震稳定性实验
• 6.4.3 镁铬砖的抗渣实验对比
• 6.4.3 小结
• 6.5 本章小结
• 总结论
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢和声明