高炉冶金矿渣特性及其在ZTA陶瓷烧结中的作用

卢红霞, 高凯, 李明亮, 梁新星. 高炉冶金矿渣特性及其在ZTA陶瓷烧结中的作用[J]. 矿产保护与利用, 2020, 40(3): 26-33. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2020.03.005
引用本文: 卢红霞, 高凯, 李明亮, 梁新星. 高炉冶金矿渣特性及其在ZTA陶瓷烧结中的作用[J]. 矿产保护与利用, 2020, 40(3): 26-33. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2020.03.005
Hongxia LU, Kai GAO, Ming Liang LI, Xinxing LIANG. Characteristics of Blast Furnace Slag and Its Role in ZTA Ceramics Sintering[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2020, 40(3): 26-33. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2020.03.005
Citation: Hongxia LU, Kai GAO, Ming Liang LI, Xinxing LIANG. Characteristics of Blast Furnace Slag and Its Role in ZTA Ceramics Sintering[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2020, 40(3): 26-33. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2020.03.005

高炉冶金矿渣特性及其在ZTA陶瓷烧结中的作用

  • 基金项目:
    河南省科技攻关资助项目(172102210008);智汇郑州·1125聚才计划创新领军团队(2016XT013)
详细信息
    作者简介: 卢红霞(1969-), 女, 教授, 博士, 主要从事先进陶瓷材料及工业废弃物资源利用的研究, E-mail:luhx@zzu.edu.cn
  • 中图分类号: X757

Characteristics of Blast Furnace Slag and Its Role in ZTA Ceramics Sintering

  • 高炉渣是由炼铁高炉产生的一种工业废渣,其中含有CaO、Al2O3、SiO2等硅酸盐成分和少量Fe2O3、TiO2、ZrO2等析晶形核剂。高炉渣在855℃热处理1 h,可形核析出1 μm左右的Ca2Al2SiO7微晶,这表明高炉渣具有较高的析晶活性。向ZTA中添加质量分数为4%的高炉渣,1 550℃烧结30 min,低温下ZTA陶瓷的力学性能明显提升,抗弯强度和断裂韧性分别为650 MPa和6.03 MPa·m1/2,比相同温度下未添加高炉渣时分别提高了15%和14.2%,烧结温度降低了50℃以上。颗粒细化的高炉渣掺入ZTA陶瓷基体,烧结过程中高炉渣产生的液相促进了Al2O3棒晶的生长,受力过程中棒晶的拔出和裂纹的偏转有利于ZTA陶瓷力学性能的提升;高炉渣在高温下的析晶增强了ZTA陶瓷的晶界强度,进一步提高了材料的力学性能。
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  • 图 1  试验方案

    Figure 1. 

    图 2  真空热压炉体部分示意图

    Figure 2. 

    图 3  三点弯曲法测试抗弯强度示意图

    Figure 3. 

    图 4  单边切口梁法测试断裂韧性示意图

    Figure 4. 

    图 5  炼铁高炉及炉内化学变化过程示意图

    Figure 5. 

    图 6  高炉渣原料和球磨处理高炉渣的SEM图

    Figure 6. 

    图 7  高炉渣的XRD图谱

    Figure 7. 

    图 8  高炉渣的DSC曲线

    Figure 8. 

    图 9  热处理后高炉渣的XRD图谱

    Figure 9. 

    图 10  晶化处理后高炉渣的SEM图

    Figure 10. 

    图 11  高炉渣析晶过程示意图

    Figure 11. 

    图 12  TiC含量对ZTA陶瓷相对密度和显气孔率的影响

    Figure 12. 

    图 13  TiC含量对ZTA陶瓷抗弯强度和断裂韧性的影响

    Figure 13. 

    图 14  不同TiC含量的ZTA陶瓷断面SEM图

    Figure 14. 

    图 15  不同高炉渣添加量的ZTA陶瓷相对密度和显气孔率

    Figure 15. 

    图 16  不同高炉渣添加量的ZTA陶瓷抗弯强度和断裂韧性

    Figure 16. 

    图 17  不同高炉渣添加量的ZTA陶瓷的SEM图

    Figure 17. 

    图 18  不同高炉渣添加量的ZTA陶瓷的物相图谱

    Figure 18. 

    图 19  Al2O3晶粒棒状生长模型

    Figure 19. 

    表 1  试验原料及性能指标

    Table 1.  Raw materials and their parameters

    原料名称 性能指标 生产厂家
    α-Al2O3 分析纯,2 μm 天津市科密欧科技有限公司
    纳米Al2O3 99.9%,30 nm 上海阿拉丁生化科技股份有限公司
    ZrO2 3Y-ZrO2 焦作李封工业有限责任公司
    TiC 99%,50 nm 上海麦克林生化科技有限公司
    高炉冶金矿渣 水淬渣 河南某钢铁公司
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    表 2  试验所用的主要仪器设备

    Table 2.  Main equipment in the experiment

    设备名称 设备型号 生产厂家 试验用途
    精密分析天平 STP FA1004 上海上平仪器有限公司 称量
    高能球磨机 SPEX8000M 美国SPEX 粉碎混料
    电热鼓风干燥箱 FN101-2A 湘潭市中山仪器厂 干燥
    超声波清洗器 KH-400KDE 昆山禾创超声有限公司 清洗
    X荧光光谱仪 XRF-1700 日本Shimadzu 成分分析
    激光粒度分析仪 Zetasizer 3000HS 英国Marlvern 粒度分析
    热重分析仪 STA449C 德国NETZSCH公司 热重分析
    真空热压烧结炉 CVI HP 美国CVI公司 烧结
    激光切割机 LCM100 郑州鑫锐机械设备有限公司 切割样品
    自动压力研磨抛光机 UNIPOL-1200S 沈阳科晶自动化设备有限公司 研磨抛光
    平面磨床 M618 江南赛特数控设备有限公司 研磨抛光
    电子式万能试验机 WD-P4504 山东济南泰思特仪器有限公司 强韧性检测
    显微硬度计 HV0.2 上海钜晶精密仪器制造有限公司 硬度检测
    X射线衍射仪 D/MAX-2550V 日本Rigaku Tokyo 物相检测
    扫描电子显微镜 JSM-7001F 日本电子株式会社 微观形貌分析
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    表 3  筛分法测得的高炉渣粒度分布

    Table 3.  Particle size distribution of blast furnace slag measured by screening method

    粒度/mm >3.2 3.2~2.5 2.5~1.6 1.6~0.45 0.45~0.3 0.3~0.2 0.2~0.13 ≤0.13
    含量/% 1.76 1.01 14.6 68.48 10.72 1.43 1.3 0.70
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    表 4  高炉渣的化学组成 /%

    Table 4.  Chemical composition of blast furnace slag

    组成 SiO2 Al2O3 CaO MgO TiO2 Fe2O3 ZrO2
    含量 21.38 8.27 52.86 2.69 1.65 1.34 0.17
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    表 5  各原料的质量分数 /%

    Table 5.  Composition of raw materials

    序号 高炉渣 α-Al2O3 nano-Al2O3 ZrO2 TiC
    1 0 55 15 30 2
    2 2 55 15 30 2
    3 4 55 15 30 2
    4 6 55 15 30 2
    5 8 55 15 30 2
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收稿日期:  2020-05-18

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