矾土基耐火可塑料结合剂优化研究及仿真模拟

摘要

传统耐火可塑料属于不定形耐火材料的一种，由于施工灵活，对冶金热炉等设备的局部损害有着较好的修补能力。矾土基可塑料属于使用最广泛的一种耐火可塑料，其拥有耐火度高，抗热震性好，耐磨性好等特点。本论文研究了不同结合剂对矾土基可塑料性能的影响，以及反应机理和高温液相对莫来石的影响，通过有限元软件综合分析了材料在窑炉中使用情况。
　　首先以磷酸为结合剂研究了矾土骨料的最佳颗粒级配。按照骨料的最佳配比，加入不同的复合结合剂后，分别在110℃、850℃、1350℃三种温度下处理后测试样品的性能；通过X射线衍射、扫描电子显微镜等微观分析手段，结合试样不同温度热处理后的强度变化，解释性能产生机理和液相对材料的影响，再将样品进行高温热力学测试，分析其高温性能。利用COMSOL Multiphysics有限元计算工具，模拟试样在加热炉中各阶段热应力分布情况。
　　通过比较试验物理性能，得出矾土骨料最佳颗粒配比为1-3mm:≤1mm:≤0.074mm=47:18:25。以磷酸为结合剂的矾土基可塑料和其他试样相比，无需高温处理就具有一定的强度。由于以六偏磷酸钠+偏硅酸钠为结合剂的试样中引入了Na+离子，在高温烧结中形成了液相，促进烧结致密化；与添加磷酸盐+硫酸铝复合结合剂的试样相比，其常温物理性能较好。
　　含有Na+离子结合剂的试样从1150℃开始产生液相，随着温度的升高，液相从莫来石一侧开始侵蚀，最终吞噬分解整个莫来石颗粒。大的液相严重降低了样品高温力学性能。在1400℃时，添加硫酸铝溶液+磷酸二氢铝溶液为结合剂的样品与其他试样相比，其高温物理性能最优，而添加偏硅酸钠+六偏磷酸钠复合结合剂的试样高温性能最差。
　　通过模拟计算，得出在加热炉炉膛直径为600mm，炉顶和炉体的厚度分别为40mm和35mm时，添加硫酸铝溶液+磷酸二氢铝溶液复合结合剂的试样所产生的热应力最低，最适合选用至加热炉材料。

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第一章 文献综述

1.1 前言

1.2 不定形耐火材料的发展背景及方向

1.3 矾土基可塑料

1.4 有限元仿真模拟

1.5 本文研究的内容与意义

第二章 实验过程及方法

2.1 实验原料

2.2 实验设计及测试方法

2.3 实验设备

第三章 颗粒级配对矾土基可塑料性能的影响

3.1 引言

3.2 颗粒级配优化理论

3.3 实验方法

3.3 结果分析与讨论

3.5 本章小结

第四章 不同结合剂对矾土基可塑料的影响

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 不含Na+结合剂对矾土基可塑料物理性能的影响

4.4 含Na+结合剂对矾土基可塑料物理性能的影响

4.5 反应机理研究

4.6 不同热处理温度对矾土基可塑料的影响

4.7 本章小结

第五章 矾土基可塑料的工业模拟与计算

5.1 引言

5.2 模拟理论和参数的确定

5.3 结果与分析

5.4 本章小结

第六章 总结论

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间发表的论文