耐火材料最新研究趋势
本文概述了耐火材料的发展趋势。主要涉及以下几个方面：
- 不定形耐火材料：主要研究氧化镁、二氧化硅等不定形材料的制备、性能和应用。
- 耐火材料微观结构控制：主要研究通过添加催化剂和纳米颗粒，在烧结过程中控制不定形耐火材料中板状或针状相的生成，以改善其力学性能和抗热震性。
- 耐火材料低碳耐火材料：主要研究为了满足洁净钢生产的要求，如何在降低或消除碳的同时，提高耐火材料的耐热冲击性和耐侵蚀性。
- 耐火材料力学性能和数值分析：主要研究利用离散元法、流变模型、有限元法等数值方法，模拟和分析耐火材料在高温下的断裂机理、应力分布、接缝行为等。
- 耐火材料测量、分析和评估：主要研究利用数字图像相关技术、拉曼成像技术、雷达信号等先进技术，对耐火材料的物理性能、物相变化、水分释放等进行无损和非接触式检测。
1 不定形耐火材料
不定形耐火材料是指没有明显晶体结构的耐火材料，通常具有较高的化学稳定性和较低的导热系数。在本文中，主要介绍了氧化镁和二氧化硅两种不定形耐火材料的研究进展。
1.1 氧化镁不定形耐火材料
氧化镁是一种常用的碱性不定形耐火材料，具有较高的熔点和较好的抗渣性。研究人员采用了以下方法来改善氧化镁不定形耐火材料的性能：
- 通过调整脱水工艺，将氧化镁水合物制成的板状水滑石用作无水泥粘结剂。这种方法可以提高不定形耐火材料在高温下的强度、抗渣性和抗热震性。
- 通过减少微硅粉的用量，并通过添加合成氧化镁-二氧化硅-H2O粘结剂，在基本不定形耐火材料中充分发挥氧化镁的特性。这种方法可以增强不定形耐火材料与钢水之间的界面反应，并提高抗侵蚀性。
1.2 二氧化硅不定形耐火材料
二氧化硅是一种常用的酸性不定形耐火材料，具有较低的热膨胀系数和较高的耐热冲击性。研究人员采用了以下方法来改善二氧化硅不定形耐火材料的性能：
- 通过使用无定形熔融石英的浇注料，并进行预热处理，提高不定形耐火材料的动态杨氏模量和抗热震性。这种方法可以抑制不定形耐火材料在高温下的结构松弛和劣化。
- 通过使用石英和微硅粉作为原料，采用不定形振动成型的方法，制备出含有96%二氧化硅的无水泥浇注料。这种方法可以提高不定形耐火材料的密度、强度和抗渣性。
1.3 粒形对不定形耐火材料的影响
粒形是影响不定形耐火材料性能的一个重要因素，尤其是对于粗晶粒区域。研究人员研究了劈裂晶粒和立方晶粒对爆炸的影响，并得出以下结论：
- 立方晶粒的互锁性较弱，容易发生爆炸。因此，应尽量避免使用立方晶粒作为不定形耐火材料的原料。
- 劈裂的立方晶粒可以提高不定形耐火材料的内聚力和耐久性。因此，应尽量使用劈裂的立方晶粒作为不定形耐火材料的原料。
2 耐火材料微观结构控制
微观结构控制是指通过添加催化剂和纳米颗粒，在烧结过程中控制不定形耐火材料中板状或针状相的生成，以改善其力学性能和抗热震性。在本文中，主要介绍了以下两种微观结构控制的方法：
- 在硅胶粘结剂中添加Fe2O3，促进基体中板状β-硅铝层的生成。这种方法可以增强不定形耐火材料在热冲击试验中的强度保持系数。
- 在基体中添加纳米氧化铝，促进板状CA2和CA6的生成。这种方法可以改善不定形耐火材料的力学性能，并显著提高其抗热震性。
3 低碳耐火材料
低碳耐火材料是指为了满足洁净钢生产的要求，降低或消除碳含量的耐火材料。碳是一种常用的增强剂和抗氧化剂，但也会导致钢水中夹杂物增多和碳含量增加。因此，开发低碳或无碳耐火材料是一项重要的课题。研究人员采用了以下方法来开发低碳或无碳耐火材料：
- 用Ti-MAX相（具有金属和陶瓷双重特性的化合物）取代部分石墨。这种方法可以抑制石墨在侵蚀界面处的快速氧化，从而提高耐火材料的耐热冲击性和耐侵蚀性。但是，也要注意立方体膨胀造成的不利影响。
- 在MgO-C中加入纳米碳，以研究镍和金属铝对酚醛树脂碳化过程的催化作用。这种方法可以促进基体中氧化镁晶须和尖晶石晶须的形成，改善微观结构，提高断裂模量、断裂应变和抗热震性。
- 在树脂粘结剂加热过程中加入微量纳米碳粒和杂化石墨黑，在基体中形成晶须和针状化合物。这种方法可以提高树脂粘结剂的性能，增强其与基体的结合力和耐久性。
- 开发了一种用于超低碳钢的无碳未烧氧化铝-氧化镁钢包线的耐火材料。这种方法使用了一种独创的粘结剂系统，在180°C热处理后，显示出与烧结产品相同的机械性能，并在钢包操作条件下表现出更优异的性能。
4 耐火材料力学性能和数值分析
力学性能和数值分析是指利用数值方法，模拟和分析耐火材料在高温下的断裂机理、应力分布、接缝行为等。这些方法可以帮助设计和优化耐火材料的结构和性能。在本文中，主要介绍了以下几种力学性能和数值分析的方法：
- 采用离散元法（DEM）模拟耐火材料的断裂机理。这种方法可以考虑到现有的裂纹、耐火陶瓷的准脆性行为以及脆性的降低，在微观尺度上再现耐火材料的断裂过程。DEM还可以显示出材料的不连续性，可以将微观结构与宏观行为联系起来。因此，在测量杨氏模量和泊松比时，模型和实验之间的相似度超过90%。该方法有望成为阐明耐火材料力学行为的有效工具，并可用于不定形耐火材料的研究。
- 采用Bingham-Norton流变模型（BNM）模拟各向同性粘弹性耐火材料的蠕变行为。这种方法可以描述耐火材料在高温下的应力松弛和应变硬化现象。目标是将该方法用于钢包模拟，以显示各段应力随时间的变化。
- 采用有限元法（FEM）分析无砂浆砌体墙在高温下的力学行为。这种方法可以考虑到接缝关闭和重新打开对衬砌结构力学的影响。由于接缝模式会随着衬砌接缝的温度变化而变化，使得衬砌变得正交各向异性和非线性。在荷载卸除后，通常接缝的最终厚度比原始厚度薄，永久变形也会减小。该方法可以在两个方向上测量永久变形。
- 采用三维热力学模型分析耐火材料的微观结构和热力学性能。这种方法可以显示出氧化铝尖晶石耐火材料在2000℃时的非线性行为。该模型与声发射、超声波、单轴拉伸测试和巴西研究人员提出的力学测试方法相一致。结果表明，由于存在微小裂纹和微观结构（如高温粘性相），抗热震性增加。
- 采用高温楔形劈裂试验测量高铝不定形耐火材料的断裂能。这种方法可以评估不定形耐火材料在高温下的延展性。结果表明，当使用更多细粒作为基体时，高温下的比断裂能往往会增加。
5 耐火材料测量、分析和评估
测量、分析和评估是指利用先进技术，对耐火材料的物理性能、物相变化、水分释放等进行无损和非接触式检测。这些技术可以提供更多的信息，帮助理解和优化耐火材料的性能。在本文中，主要介绍了以下几种测量、分析和评估的技术：
- 采用综合数字图像相关技术（I-DIC）了解耐火材料在高温下的机械性能。这种技术可以替代一维拉伸和压缩蠕变试验，减少试验次数，并且可以测量全场应变分布。这种技术很有前途，因为它可以提供更多的信息，帮助设计和优化耐火材料。
- 采用原位高光谱拉曼成像技术（HSRI）研究耐火材料在高温下的物相变化。这种技术可以检测到少量的物相以及可转移物相。它还可以区分不同的多晶型，这是它的另一个优势。这种技术是阐明烧结反应的有力工具。
- 采用雷达信号探测固体材料中的游离水。这种技术可以非常灵敏地检测到由于加热不定形耐火材料而释放的水（如结合水和水合水）的行为。这种技术可以对分离温度变化的不定形耐火材料进行无损和非接触式检测。
