燃烧合成法制备新型节能风口的基础研究

摘要

随着高炉冶炼技术的发展和风口喷煤量的提高，对高炉风口提出了越来越高的技术要求。由于喷煤量的提高，煤粉喷出速度加快，风口磨损加剧，风口使用受命降低。因而，急需寻求延长高炉风口寿命的技术方法。本课题采用燃烧合成(SHS)重力分离法成功制备了陶瓷内衬复合铜管，实现了金属和陶瓷两种材料的良好结合，从而为提高风口寿命，降低风口制造成本并降低能耗提供了一种新的方法。目前，鞍钢已经利用此法生产出一系列的新型高炉风口，并应用到生产实际当中，收到了较好的效果。 本论文对SHS反应进行了相关热力学和动力学分析。通过热力学计算得出，当添加的激活剂为CrO3时铝热反应的绝热燃烧温度Tad=2167.98K；当添加的激活剂为Cr2O3时铝热反应的绝热燃烧温度Tad=1937.63K，两种情况下的绝热反应温度均大于1800K。根据Merzhanov等人提出的经验判据，反应可以自行维持。通过动力学分析，讨论了添加剂对反应过程及合成产物的影响。通过添加SiO2、CaF2(或NaF)、CrO3(或Cr2O3)等来控制铝热剂的发热量和反应速率。 采取SHS重力分离法分别在镀镍铜管和非镀镍铜管上制备了陶瓷内衬复合铜管。通过XRD分析，结果表明陶瓷层的成分主要由α-Al2O3基体相和FeO·Al2O3尖晶石相所组成，在部分陶瓷层中还发现有少量的Fe相存在。这是由于铁渣在冷凝过程中来不及与熔融的Al2O3陶瓷分离，造成少量的铁渣夹杂在陶瓷层中形成Fe相。另外，在镀镍铜管的陶瓷层中还存在Ni、AlNi、CuAl2O4尖晶石、CuNi等相，这很好地证明了Ni在陶瓷与铜管之间起到了很好的过渡作用。应用热力学分析并结合优势区图研究了铁铝尖晶石的成因，从而为降低陶瓷层中FeO·Al2O3的含量提供了理论基础。 通过SEM分析，发现陶瓷与铜管之间的界面大致呈锯齿状，这说明陶瓷与铜管之间的结合在一定程度上属于机械结合；通过EDS分析，发现铜管与陶瓷之间可以形成一个Cu→Al2O3+Cu→Al2O3的过度层，这说明陶瓷与铜管之间的结合在一定程度上还存在冶金结合，而冶金结合要比机械结合更牢固。 此外，还对复合铜管在900℃下进行了抗热冲击性能检测，结果表明，非镀镍铜管的抗热冲击性能要优于镀镍铜管。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1前言

1.2课题的依据和可行性

1.2.1节能效益

1.2.2关于风口节能计算

1.2.3风口实测节能效益分析

1.2.4课题的可行性

1.3关于自蔓延高温合成技术的发展历史

1.3.1自蔓延高温合成技术的发展历史

1.3.2燃烧合成技术的应用

1.3.3燃烧合成技术的研究现状

1.3.4SHS的发展趋势

1.3.5燃烧合成金属基陶瓷涂层的研究现状

1.4研究内容及其优点

1.4.1研究内容

1.4.2优越性

第二章SHS反应过程及相关热力学分析

2.1SHS反应过程及燃烧理论

2.1.1经典燃烧理论及其分类

2.1.2稳态燃烧的燃烧波结构

2.1.3自蔓延燃烧的点火方法

2.2SHS相关热力学分析

2.2.1热力学概述

2.2.2绝热燃烧温度的意义和计算

2.2.3铝热还原过程绝热燃烧温度的计算

2.3本章小结

第三章SHS反应相关动力学分析

3.1SHS反应动力学概述

3.2 SHS反应中陶瓷的凝固过程

3.3添加剂的选取

3.3.1添加SiO2的作用

3.3.2添加CrO3的作用

3.3.3添加CaF2的作用

3.3.4添加Cu2O的作用

3.4本章小结

第四章燃烧合成实验及分析方法

4.1引言

4.2实验装置与实验原料

4.2.1实验装置

4.2.2实验所用原料

4.3实验原料的准备

4.3.1铜管的预处理

4.3.2铜管的镀镍处理

4.3.3 Fe2O3粉术的预处理

4.4实验装置及流程

4.5实验步骤

4.6燃烧合成实验

4.6.1无镀镍铜管燃烧合成实验

4.6.2镀镍铜管燃烧合成实验

4.7本实验所采用的分析方法

4.7.1陶瓷涂层相组成分析

4.7.2陶瓷层显微组织的观察

4.7.3电子探针分析

4.7.4抗热冲击性能检测

4.8本章小结

第五章实验结果分析与讨论

5.1燃烧产物的X射线衍射结果分析与讨论

5.1.1燃烧产物的X射线衍射结果

5.1.2 X射线衍射结果分析与讨论

5.1.3铁铝尖晶石成因分析

5.2燃烧合成产物扫描电镜分析结果与讨论

5.2.1扫描电镜分析结果

5.2.2扫描电镜结果分析与讨论

5.3燃烧合成产物能谱分析结果

5.3.1燃烧合成产物能谱分析结果

5.3.1燃烧合成产物能谱分析结果与讨论

5.4燃烧合成产物电子探针分析结果与讨论

5.4.1燃烧合成产物电子探针分析结果

5.4.2燃烧合成产物电子探针分析结果与讨论

5.5燃烧合成产物抗热冲击性能检测结果分析与讨论

5.5.1抗热冲击性能检测结果

5.5.1检测结果分析与讨论

5.6本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

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