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【用戶成果】眼見為實：高溫接觸角揭示Al?O?-TiO?改性鎂砂的界面行為與性能提升機制

武漢科技大學(xué)李亞偉教授團隊在期刊《Ceramic?International》上發(fā)表了的論文。研究了添加不同含量的?Al2O3–TiO2復(fù)合粉體，對含游離CaO雜質(zhì)的鎂砂的物相演變與微觀結(jié)構(gòu)的影響，并分析了最終協(xié)同提升其抗水化性、抗熱震性和抗渣滲透性的效果。

2026-04-27

DOI：10.1016/j.ceramint.2022.10.024?

武漢科技大學(xué)李亞偉教授團隊在期刊《Ceramic?International》上發(fā)表了題為“Enhanced performance of free CaO impurity containing magnesia with Al₂O₃–TiO₂?composite powder”的論文。研究了添加不同含量的?Al₂O₃–TiO₂復(fù)合粉體，對含游離CaO雜質(zhì)的鎂砂的物相演變與微觀結(jié)構(gòu)的影響，并分析了最終協(xié)同提升其抗水化性、抗熱震性和抗渣滲透性的效果。

研究背景

鎂砂(Magnesia, MgO)是鋼鐵冶煉爐（如轉(zhuǎn)爐、鋼包）內(nèi)襯的核心耐火材料，優(yōu)點在于熔點高、耐堿性渣侵蝕。中國利用隱晶質(zhì)菱鎂礦生產(chǎn)的鎂砂，雖然化學(xué)純度高，但含有游離氧化鈣雜質(zhì)。這會導(dǎo)致抗水化性差、抗熱震性差、及抗渣滲透性差等三大問題。本研究提出一種新方法在鎂砂制備過程中，加入?Al?O?-TiO??復(fù)合粉體，同時改善以上三種性能缺陷。

研究方法

◆?材料配方：

輕燒鎂粉（含0.97 wt% CaO）+ Al?O?-TiO?復(fù)合粉體（等摩爾比）。復(fù)合粉體添加量分別為0 wt%, 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 7 wt%。

◆ 工藝：球磨混合→ 壓制成型 → 1600°C 燒結(jié)3小時。

◆ 原位表征

1)抗水化性：持續(xù)顯著提升。重量增重率從MAT0的0.212%降至MAT3的?0.107%?，之后基本不變。

2)抗熱震性：持續(xù)提升。殘余強度比率從MAT0的15.1%提升至MAT7的?33.2%。

3)抗渣滲透性：量化膨脹指數(shù)RSI先升后降，在3 wt%添加量時最佳。滲透層厚度：MAT0為78 μm → MAT3降至33 μm → MAT7升至66 μm。

階段一：添加量從0%-3%(性能提升)

接觸角增大：實驗測量發(fā)現(xiàn)，添加復(fù)合粉體后，熔渣與試樣的接觸角從13.8°?(MAT0)?顯著增大，更大的接觸角意味著渣更難潤濕和滲透固體。

階段二：添加量從3→7 wt% (性能下降)

接觸角減小：實驗測量發(fā)現(xiàn)，從MAT3到MAT7，接觸角開始下降，更小的接觸角意味著渣更容易鋪展和滲透。

使用天津中環(huán)電爐的可視化高溫接觸角測試儀TA-Z16B01記錄樣品隨溫度升高，表面的熔渣形態(tài)和接觸角的變化過程。

研究結(jié)果

添加Al?O?-TiO?后，有害的游離CaO轉(zhuǎn)化為高穩(wěn)定的CaTiO?；過量添加則會生成復(fù)合尖晶石。抗水化性和抗熱震性隨添加量增加而持續(xù)提升。抗渣滲透性呈先升后降趨勢，綜合來看，添加?3 wt% Al?O?-TiO??的鎂砂綜合性能最優(yōu)。

中環(huán)電爐設(shè)備

可視化高溫接觸角分析儀，可實現(xiàn)高溫高真空表界面性能測試，是研究高溫下不同熔體與相應(yīng)基體間的接觸角變化規(guī)律的專用科研裝置，可實現(xiàn)高溫、高真空條件下材料的表界面性能測試。該儀器能夠?qū)Φ腿埸c材料在升、降溫過程中的收縮、變形、熔化、潤濕、鋪展及凝固行為進行圖像化、定量化表征。

主要功能

·◆?高溫測試：最高使用溫度1600℃/2000℃/2400℃

·◆?空氣/真空/氣氛

·◆?可動態(tài)測量升降溫過程中接觸角隨時間或溫度變化的規(guī)律

·◆?可在線獲取接觸角8、液滴直徑D、液滴高度H、液滴體積V等參數(shù)，用于計算熔體的表面張力，進而評價熔體對基體材料的潤濕性