锌的气相催化对金属复合镁碳材料原位反应的影响机理

随着洁净钢生产逐年增加，低碳镁碳耐火材料成为新的热点。本申请人前期研究发现锌对镁碳材料基质中原位反应有独特的催化效果，有关不烧MgO-C材料中添加Zn及其对MgO-C材料原位反应和性能影响机理的研究尚未见报道。因此，本项目以金属Al/Zn复合低碳镁碳材料为研究对象，运用化学动力学理论，研究镁碳材料加热过程中Zn、Al、MgO、C等的物理化学变化，测算相关化学反应活化能，并结合材料高温使用性能实验、物相与显微结构分析，弄清锌的气相催化对体系原位反应的影响规律，建立锌的气相催化作用及原位反应与显微结构、高温使用性能之间的关系，阐明金属复合镁碳材料中锌的催化作用机制，为低碳镁碳材料的性能改善、推广应用提供实用指导和理论依据。同时，优化该材料的性能控制参数和使用催化条件，探讨对基质原位反应采用有效催化的方法从微观上设计或控制基质原位反应产物以及显微结构，为精细化生产和使用含碳耐火材料奠定基础。

洁净钢生产对高性价比的低碳镁碳耐火材料有迫切需求，但使用纳米技术、新型结合剂和新型抗氧化剂的成本问题也制约了其推广应用。本课题组前期应用基础研究表明金属Al/Zn复合低碳镁碳砖的性能明显优于现用镁碳砖和金属Al/Si复合低碳镁碳砖。推断有效催化剂的引入可以对高温下气相反应丰富的含碳耐火材料基质产生积极的影响，气相催化可能在基质中获得所设计的原位产物以达到改善材料性能的目的。有关不烧MgO-C材料中添加金属Zn及其对MgO-C材料原位反应和性能影响机理尚不清晰。.本项目工作以金属Al/Zn复合低碳镁碳材料为研究对象，结合材料加热过程及高温使用性能实验、物相与显微结构分析，研究镁碳材料加热过程中Zn、Al、MgO、C等的物理化学变化，测算相关化学反应活化能，重点是弄清锌的气相催化对体系原位反应的影响规律，建立锌的气相催化作用及原位反应与显微结构、高温使用性能之间的关系。.前半段研究从铝锌复合低碳镁碳材料基质试样入手，主要研究金属锌对试样原位反应的影响，结果如下：1.不同温度段镁碳材料基质试样的物理化学变化表明：不含锌试样只有在高于900℃时或900℃保温较长的时间才能生成较少量的原位镁铝尖晶石；但含锌基质试样在900℃时保温较短时间便能检测到较大含量的镁铝尖晶石。2.活化能计算：原位镁铝尖晶石的生成量随着保温时间的延长和温度的升高而增加并且随铝锌比例的增大而增加，不含锌试样系列其原位生成镁铝尖晶石的活化能均高于含锌试样系列的。3.显微结构分析表明：同等条件处理后，含锌试样中原位镁铝尖晶石生成量多于不含锌试样，前者分布广泛且均匀，后者只是零星分布于基体中且分布不均；另外，不同温度下含锌含石墨试样温度越高试样中镁铝尖晶石的发育越好。.后半段工作系统研究了在埋碳加热过程中 Al/Zn 复合低碳 MgO-Al2O3-C 材料热态抗折强度及结构的变化；研究了 Al/Zn 复合低碳 MgO-Al2O3-C 材料抗热震性、1500度的抗氧化性和显微结 构。根据实验室研究结果，开发了 Al/Zn 复合低碳MgO-Al2O3-C 钢包渣线砖，完成了钢 厂 210 t钢包渣线试用，初见成效。.本研究阐明了金属复合镁碳材料中锌的催化作用，为低碳镁碳材料的性能改善、推广应用提供实用指导和理论依据。从微观上设计或控制基质原位反应产物以及显微结构，将为精细化生产和使用含碳耐火材料奠定基础.