钛铁渣原位合成碳氮化钛及其对炮泥性能的影响

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炮泥是封堵出铁口的重要耐火材料,其性能的稳定对高炉的安全生产有很大的影响。TiCN是TiN与TiC形成的固溶体,具有高熔点、高强度、良好的耐磨性以及化学稳定性等优点。TiCN加入耐火材料中可提高其强度、抗氧化性能和抗渣性能。钛铁渣是冶炼钛铁合金产生的废渣,年产量巨大。其主要化学成分是Al2O3、CaO和TiO2,与耐火材料原料的主成分相似。若能将钛铁渣应用于耐火材料领域,可创造巨大的经济价值。因此,本文首先探究了以钛铁渣等为原料合成TiCN的可行性,并计算了反应动力学参数;随后以纯TiCN加入到炮泥中,研究了TiCN对炮泥物理性能、常温强度、抗氧化性能和抗渣性能的影响;最后将钛铁渣加入到炮泥中,研究了钛铁渣的加入量对炮泥物理性能、常温和高温强度、抗氧化性能和抗渣性能的影响。得到如下相关结论:(1)钛铁渣中的CaTiO3可通过与C、N2反应或与C、Si3N4反应生成TiCN。CaTiO3的还原历程为CaTiO3→Ti3O5→TiO→TiC0.2N0.8,C或Si3N4含量的增加以及反应温度的升高可促进TiCN的生成。(2)当以钛铁渣和焦炭为原料制备TiCN时,反应活化能E=115.34 k J/mol,指前因子A=6.76×1047min-1,反应体系的最概然机理函数为G(α)=[-ln(1-α)]3,反应机理为随机成核和随后生长。当以钛铁渣、焦炭和Si3N4为原料制备TiCN时,反应活化能E=68.97 k J/mol,指前因子A=8.72×1028min-1,反应体系的最概然机理函数为G(α)=[(1-α)-1/3-1)]2,反应机理为三维扩散。(3)以纯TiCN为炮泥原料时,随着TiCN的加入量增大,炮泥的抗氧化性能和抗渣性能明显提升。TiCN在侵蚀界面连续分布形成保护层从而阻止了渣的侵蚀;且TiCN加入炮泥后TiCN分布在渣侵蚀部位,增大了渣的粘度从而阻止了渣的渗透。(4)以钛铁渣为炮泥原料时,炮泥中生成钙长石和TiCN,从而使炮泥的常温抗折强度、高温抗折强度、抗氧化性能和抗渣性能均有所提升。当以15 wt%的3~1mm、7 wt%的1~0 mm、2 wt%的200目的钛铁渣为原料时,炮泥的物理性能和抗氧化能、抗渣性能均较好。
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