燃烧合成碳/镁铝尖晶石复合粉及对低碳耐火材料抗渣性影响

In order to solve the bottleneck problems including poor dispersibility, high cost, and being vulnerable to oxidation of nano carbon when applied in low carbon refractory and exploit the advantages of nano MgAl2O4 spinel in corrosion resistance to metallurgical slag, the organic magnesium salt would be prepared by reactions of magnesite with citric acid, glucose acid and oxalic acid, respectively, in which the transition metal catalyst would be dispersed at the molecular level, then the nano carbon would be in situ catalytically formed in spinel powders by aluminothermic combustion synthesis. The effects of raw material ratio, type/content of catalyst on the particle size distribution, chemical composition (carbon content, solid solution composition of spinel) and microstructure (grain size of spinel, morphology and distribution) of composite powders would be revealed, and the fabrication method of nano spinel coated carbon composite powders would be obtained. The influences of carbon/spinel nano composite powder on slag resistance properties of alumina castables and MgO-C bricks would be investigated, the mechanisms of slag resistance of refractories carbon/spinel nano composite powder would be clarified. The results would be of great significance in facilitating applications of nano materials in refractory, enrichment of theories of combustion synthesis of nano powders, and discovery of the new effects of slag resistance of nano materials added refractories.

为解决纳米碳应用于低碳耐火材料存在的难分散、高成本、易氧化的瓶颈问题，同时发挥纳米镁铝尖晶石抗冶金渣侵蚀的优势，本申请以菱镁矿粉分别与柠檬酸、葡萄糖酸、草酸反应生成有机酸镁盐，在此过程中使过渡金属催化剂在分子水平分散，通过铝热燃烧合成实现纳米碳在镁铝尖晶石粉体中的原位催化形成。研究原料配比、催化剂种类/含量、燃烧条件对碳/镁铝尖晶石复合粉粒径分布、化学组成(碳含量、尖晶石固溶成分)、微观结构（尖晶石晶粒尺寸、纳米碳形态与分布状态）的影响规律，获得纳米镁铝尖晶石包裹碳复合粉制备方法，结合燃烧波淬熄实验与热力学分析揭示碳/镁铝尖晶石复合粉的催化燃烧合成机理。研究碳/镁铝尖晶石纳米复合粉对刚玉浇注料与镁碳砖抗熔渣侵蚀性能的影响规律，阐明含碳/镁铝尖晶石粉耐火材料的抗渣机理。研究结果将在促进纳米材料在耐火材料中应用、丰富纳米粉体燃烧合成理论、发现添加纳米粉体的耐火材料抗渣新机制等方面具有重要意义。

发展低碳耐火材料对于洁净钢冶炼及环境保护意义重大，纳米碳可在降低耐火材料碳含量前提下有效改善其抗渣侵蚀性能及抗热震性能，但存在难分散、成本高、易氧化的瓶颈问题。本项目建立了通过催化燃烧合成法制备碳/镁铝尖晶石纳米复合粉的方法，在改善上述纳米碳应用问题的同时发挥纳米镁铝尖晶石优异的抗渣侵蚀性能，阐明了复合粉的合成机理及其对低碳耐火材料性能的影响规律，研究结果为纳米粉体燃烧合成理论及其在耐火材料中的应用提供理论指导。取得的主要进展如下：.（1）基于物相表征、显微结构分析研究了不同镁源、原料配比、催化剂种类及含量对催化燃烧合成及埋碳烧结合成碳/镁铝尖晶石纳米复合粉特性的影响规律，实现了碳/镁铝尖晶石纳米复合粉的可控化制备。.（2）通过燃烧波淬熄法，并结合热动力学分析、物相组成分析及显微结构表征，揭示了碳/镁铝尖晶石纳米复合粉的合成机理和形貌演变机制。该项进展为研究纳米粉的燃烧合成提供了新原理。.（3）研究了碳/镁铝尖晶石纳米复合粉对氧化铝耐火浇注料、低碳镁碳耐火材料、低碳铝碳耐火材料物理性能、力学性能、抗热震性能、抗氧化性能和抗渣侵蚀性能的影响，并揭示了复合粉对耐火材料服役性能的影响规律。该项进展为含纳米粉体的耐火材料的抗渣新机制提供了新理论。.基于上述研究结果，在基于上述研究结果，在Ceramics international、International Journal of Applied Ceramic Technology、Materials Research Express、硅酸盐学报等行业权威期刊上发表学术论文9篇（SCI收录8篇，EI收录1篇），授权发明专利4项。培养博士研究生1人，硕士研究生8人。研究成果获得国内耐火材料生产企业的高度认可，所制备的复合粉已经在连铸系统用塞棒棒头进行工业初试，并取得了良好的使用效果。