【摘要】：鋼鐵冶金技術(shù)的發(fā)展與進步,使得目前的鋁酸鈣水泥結(jié)合剛玉尖晶石質(zhì)澆注料的服役環(huán)境更加苛刻�；诖�,一種新型的結(jié)合系統(tǒng)被提出,即通過鋁酸鈣水泥的相組成設(shè)計與調(diào)控,在鋁酸鈣水泥的合成過程中原位形成亞微米尺寸鎂鋁尖晶石,且使其在微米區(qū)域范圍內(nèi)均勻分布于鋁酸鈣物相中,形成具有鎂鋁尖晶石鑲嵌結(jié)構(gòu)的新型鋁酸鈣水泥(SP-CA水泥),以提高澆注料的熱震穩(wěn)定性能和抗渣侵蝕性能。本文首先對國內(nèi)外相關(guān)研究成果進行文獻調(diào)研,并借助MgO-Al_2O_3-CaO相圖對SP-CA的相組成進行調(diào)控,研究了SP-CA水泥中物相組成和粒度對剛玉尖晶石質(zhì)澆注料性能的影響;通過對SP-CA水泥水化脫水動力學(xué)的分析,研究了水泥中亞微米尺寸尖晶石的鑲嵌結(jié)構(gòu)對水泥水化及脫水過程的影響;并在SP-CA水泥結(jié)合澆注料的脫水產(chǎn)物顯微結(jié)構(gòu)、物相間的反應(yīng)機理及澆注料高溫物理性能之間建立相關(guān)性。最后采用數(shù)值仿真研究了SP-CA水泥結(jié)合澆注料的裂紋擴展情況,揭示了亞微米尺寸尖晶石的引入對材料高溫性能的優(yōu)化機制。本文的相關(guān)研究成果可豐富剛玉尖晶石質(zhì)澆注料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化理論。在第二章中,以白云石、氫氧化鎂以及工業(yè)氧化鋁為原料,經(jīng)不同溫度煅燒制備了SP-CA水泥。經(jīng)1450℃煅燒制備的SP-CA水泥,尖晶石呈現(xiàn)規(guī)整的八面體形貌,晶粒尺寸為微米級(0.4-1.5μm)。而經(jīng)1200℃和1300℃煅燒制備的水泥中的尖晶石晶粒尺寸減小為亞微米級,集中在0.1-0.3μm之間。本章通過調(diào)節(jié)水泥煅燒溫度實現(xiàn)了尖晶石晶粒尺寸的可控性,為SP-CA水泥在澆注料中的應(yīng)用提供多樣性。第三章研究了SP-CA水泥中物相組成和水泥粒度對澆注料的影響。首先調(diào)控SP-CA水泥中尖晶石的含量由72%降低至50%,所制備澆注料的需水量降低,強度提高,但是熱震穩(wěn)定性下降。適當增加SP-CA水泥中CA_2的含量可以延長凝結(jié)時間。適當降低水泥粒度使得澆注料的加水量減小,強度提高,但是水泥粒度繼續(xù)減小會降低澆注料的熱震穩(wěn)定性能。本章明確了SP-CA水泥中物相分布以及水泥粒度對澆注料的性能影響,可指導(dǎo)水泥的制備及優(yōu)化澆注料性能。第四章研究了SP-CA水泥中尖晶石晶粒尺寸對水化過程的影響。水泥中尖晶石晶粒減小為亞微米尺寸后,可促進水泥的水化過程。在pH=10的澆注料料漿中,晶粒尺寸為微米的尖晶石表面帶有負電荷,而當晶粒尺寸減小到亞微米尺寸后,其表面電荷改變?yōu)檎姾�。此變化會促進水化產(chǎn)物CAH_(10)和AH_3晶核在尖晶石顆粒表面的產(chǎn)生,從而促進水化產(chǎn)物的結(jié)晶長大。水泥的水化過程直接影響澆注料的使用性能,所以提出亞微米尺寸尖晶石對SP-CA水泥水化動力學(xué)的影響機理,可以加深對這種新型水泥結(jié)合系統(tǒng)制備澆注料的理解。第五章通過研究SP-CA水泥結(jié)合剛玉質(zhì)澆注料的脫水過程、脫水產(chǎn)物的物相組成及顯微結(jié)構(gòu)演變與澆注料高溫性能的關(guān)系,分析了SP-CA水泥的脫水反應(yīng)動力學(xué),并在在脫水產(chǎn)物顯微結(jié)構(gòu)、基質(zhì)物相間的反應(yīng)及澆注料高溫物理性能之間建立相關(guān)性。SP-CA水泥結(jié)合剛玉尖晶石質(zhì)澆注料在熱處理過程中顯微結(jié)構(gòu)與性能演變分為七個階段。通過本章的分析可以清楚的了解亞微米尺寸尖晶石的引入對澆注料顯微結(jié)構(gòu)演變以及高溫性能產(chǎn)生的影響,以及對澆注料的顯微結(jié)構(gòu)優(yōu)化。第六章對比了SP-CA水泥與傳統(tǒng)鋁酸鈣水泥結(jié)合剛玉尖晶石質(zhì)澆注料顯微結(jié)構(gòu)特征、典型物理性能及抗渣性能,研究發(fā)現(xiàn):添加鎂砂細粉制備的澆注料經(jīng)1100℃熱處理后開始反應(yīng)生成尖晶石,其體積膨脹效應(yīng)在較低溫度時可以提高材料的彈性模量和強度,但是在較高溫度下體積的過度膨脹使材料性能下降。在添加預(yù)合成尖晶石的澆注料中,由于尖晶石顆粒尺寸較大,反應(yīng)活性較低而難以參與CA_6的生成過程。使用SP-CA水泥制備的剛玉尖晶石質(zhì)澆注料由于引入了大量亞微米尺寸尖晶石,可以顯著提高材料的熱震穩(wěn)定性能和抗渣侵蝕性能。通過本章研究,明確了SP-CA水泥結(jié)合剛玉質(zhì)澆注料的優(yōu)劣勢,對剛玉尖晶石質(zhì)澆注料的性能優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。第七章對SP-CA水泥結(jié)合剛玉質(zhì)澆注料的裂紋擴展進行了試驗研究與仿真計算。采用XFEM法對澆注料裂紋擴展的計算結(jié)果表明,更小尺寸的孔隙可以降低材料熱震過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且在有限的裂紋擴展過程中具有更大的形變,所以更小尺寸孔隙可以提高材料抵抗裂紋擴展的能力,進而提高材料的熱震穩(wěn)定性能。本章提出了SP-CA水泥結(jié)合澆注料熱震穩(wěn)定性能的優(yōu)化機制,可以推廣到其它體系材料中,豐富了材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化理論。
【圖文】：

1450 ℃煅燒 2h 后制備的 SP-CA 水泥的 SM photographs of cement specimens fired 人[22, 27]研究了煅燒溫度對水泥中尖晶樣中已有 CA 生成；1000 ℃合成試原料已經(jīng)反應(yīng)完全，其主要物相為 為 1-2 μm，MA 晶粒尺寸約為 0.2-0.5CA2的晶粒尺寸為 3-5 μm，MA 晶粒溫度可以控制 MA 的晶粒尺寸在納米寸的尖晶石在澆注料中具有很好的應(yīng)使用性能提供了思路。

（d）同溫度合成的 SP-CA 水泥的顯微形貌。（a）1100 ℃，（b）1300 ℃，（c）1（d）1500 ℃. 1.2 SEM photographs of cement specimens prepared at different temperatur含鎂鋁尖晶石的鋁酸鹽水泥結(jié)合剛玉質(zhì)澆注料的高溫性能有較多學(xué)者研究了 SP-CA 水泥對剛玉尖晶石質(zhì)澆注料的高溫使用，其對澆注料的性能提升作用主要集中在抗渣侵蝕性能和抗熱震性，Khalil[30]等就對 SP-CA 水泥對澆注料強度的影響進行了研究，，泥結(jié)合澆注料在高溫階段收縮率低，并且具有較好的高溫使用強度。W hrmeyer 等[20, 37]使用 SP-CA 水泥制備高剛玉尖晶石質(zhì)澆注料合劑可將鋼包澆注料的抗渣滲透和侵蝕能力提高 20%以上。國內(nèi)學(xué)洪[28, 38]等在對 SP-CA 水泥合成與制備研究過程中，發(fā)現(xiàn)隨著水泥多，剛玉澆注料強度增大，抗渣能力明顯提高。段峰等人[21]研究了石和通過 SP-CA 引入尖晶石的剛玉尖晶石質(zhì)澆注料，發(fā)現(xiàn) SP-CA
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ172.7;TQ175.732

【參考文獻】

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本文編號：2694520