耐火材料论文与建筑材料论文:石墨含量对Al2O3-C材料物理化学性能的影响



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Al2O3-C 化学性能研究论文:石墨含量对 Al2O3-C 材料 化学性能研究论文: 物理化学性能的影响 摘要: Al2O3-C 材料具有较好的高温性能,广泛应用于连 铸功能性耐火材料。 为满足洁净钢技术的发展要求,本文研究 了石墨含量对 Al2O3-C 材料物理化学性能的影响。 以不同粒 度的电熔白刚玉为主要原料,加入 SiC 微粉和金属 Al 抗氧化 剂,以酚醛树酯为结合剂,研究了石墨含量对不同温度下 Al2O3-C 材料物理性能及抗渣侵蚀性的影响。结果显示,碳含 量的降低,材料的显气孔率下降,体积密度增大,冷态和高温强 度增加。不同碳含量的 Al2O3-C 材料都显示出良好的抗渣侵 蚀性能。 关键词:Al2O3-C;低碳;耐火材料;物理性能 Effect ofGraphite Content on Physical and Chem icalPropertiesofAl2O3-C Refractories Abstract: Al2O3-C refractorieswith good high-temperature propertieshave beenwidelyused as functionalelements in
continuous casting of stee.l In order tomeet the demand of clean steelmaking, the researchhas been conducted on the effectof carbon contenton physical properties and slag resistance ofAl2O3-Crefractories corundum of at different particles temperature. size were Fused as
different
used
startingmaterialswith addition of SiC and Al as anti-oxidation
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agent and phenolic resin as binder. The resultsshow thatwith the decrease of carbon, the apparentporosity decrease and the bulk density increase. Atthe same time, the cold and hot strength increase. While Al2O3-C refractories with different
carboncontent shows good resistance to slag. Key words:alumina-carbon; low carbon; refractories; physical properties 1 引 言
铝碳质耐火材料具有高的强度、良好的抗渣性和热震稳 定性等,被广泛地用作连铸水口、 滑板等功能部件[1]。 近年来, 随着连铸、 炉外精炼及洁净钢等炼钢新技术发展,不仅对耐火 材料的使用性能提出了更高要求,而且还要求耐火材料的含 碳量进一步降低,以避免钢液中增碳行为的发生,影响钢的质 量[2]。因此,在保证含碳耐火材料高性能的基础上,低碳化成 为其发展趋势[3, 4]。 本文以白刚玉和 SiC 为骨料,以活性氧化铝、石墨、抗氧 化剂为基质,用树脂为结合剂,研究 Al2O3-C 质材料的热、力 学性能,探讨碳含量对不同温度下 Al2O3-C 材料物理性能和 抗渣性能的影响。 2 实验过程
以白刚玉、石墨、SiC 为主要原料,加以超细粉α-Al2O3, 抗氧化剂采用金属 Al 粉,以酚醛树脂为结合剂,具体方案如表
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1 所示。将料称好后,先将细粉加入搅拌机中预混合 3~5 min, 再加入粗颗粒将其混合均匀,在搅拌的过程中加入树脂混合 3~5 min。 混好的料在 150MPa 的压力下,分别压成Φ36 mm× 36 mm 圆柱试样、外径Φ50 mm×50 mm 内径Φ15 mm×15 mm 的坩埚试样以及 25 mm×25 mm×125 mm 的条形试样。 压好的试样在 2
  00℃下干燥 24 h。圆柱试样和条形试样分别 在 6
  00℃、12
  00℃和 15
  00℃埋炭热处理 3 h 后,分别测量显气 孔率、体积密度、抗折强度和耐压强度。干燥后的坩埚试样 在 16
  00℃埋炭气氛下作抗渣性实验,渣采用 IF 渣系,成份如表 2 所示;条形试样在 14
  00℃埋炭气氛下作高温抗折强度实验。
3
  3. 1
结果与讨论 不同碳含量 A l2O3-C 材料的物理性能研究
试样 A、B、C、D 埋炭气氛下,经不同温度处理后的显 气孔率和体积密度如图 1 所示,四种试样的显气孔率都随温 度的升高而增大,其体积密度相应减小。石墨在高温下,会与 气氛中的氧气形成 CO 及 CO2 气体,且石墨与这些气体共存 时 PO2 气压需在 10~11 Pa 以下[5]。因此,尽管试验在埋碳气
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氛,但也会不可避免的存在碳的氧化形为,使显气孔率增加,体 积密度降低。且随着温度的升高,碳的氧化程度更大,显气孔 率 随 之 增 加 , 体 积 密 度 随 之 减 小 。
试样 A、B、C、D 埋炭气氛下,经不同温度处理后的冷 态抗折强度和耐压强度如图 2 所示。2
  00℃处理后,试样的抗 折强度和耐压强度最高,随着温度升高,抗折强度和耐压强度 降低。试样 A~D 的强度主要来源于结合剂酚醛树脂,它对刚 玉、石墨等具有良好的润湿能力,其在 2
  00℃处理后发生聚合 反应形成网络结构而固化,使试样具有最高的强度。 当温度升 高到 6
  00℃时,固化后的网络状树脂发生分解,生成含碳和氢 的气体,使得强度大幅降低;同时金属 Al 溶解成液态,也会降 低试样强度。继续升高温度,分解后的树脂会碳化,形成结合 碳,使得试样的强度增加。而金属 Al 会发生反应形成化合物, 以及细粉部分发生烧结,这些因素都会导致试样强度的增加。 石墨含量对 Al2O3-C 材料性能的影响十分明显。从图 1 看,在各个温度点上,随着石墨含量的增加,显气孔率增加,体 积密度降低,抗折和耐压强度也随之降低(如图 2 所示)。由于
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石墨呈鳞片状,在 Al2O3-C 材料中堆积时不能按照层状堆积 方式堆积,在压制成型时,致使料中刚玉与石墨之间必然要产 生空隙。所以随着碳含量的增加,这种空隙就会越多,使得材 料致密性下降,强度随之降低。当碳含量增加到 10w\%t 以上 时,显气孔率与体积密度受其含量的影响较小,其原因是石墨 的密度较小,此时体积分数占的比重较大,石墨与石墨之间堆 积起来,其含量对显气孔率和体积密度影响减小[6]。 但当热处 理温度高于 2
  00℃,由于石墨含量的增加使得 Al2O3-C 材料更 易于氧化,其显气孔率相应增加,体积密度下降,同时强度相应 降 低 。

  3. 2
碳含量对 A l2O3-C 材料高温抗折强度的影响研究
将不同碳含量 Al2O3-C 条形试样埋碳加热到 14
  00℃保 温
  0. 5 h,测定其高温抗折强度,如图 3 所示。由图 3 看 出,Al2O3-C 材料中碳含量越低,高温抗折强度越大。高温条 件下石墨含量越大,被氧化程度越大,致使材料结构疏松,强度 下降。由于石墨含量少,Al2O3 的含量大,所以形成 Al2O3 致
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密 层 更 加 容 易 , 致 使 材 料 的 高 温 强 度 越 高 。

  3. 3
A l2O3-C 材料的抗渣性研究
Al2O3-C 材料坩埚中放入 LF 渣,在埋碳气氛 16
  00℃下保 温 3 h 作抗渣实验,结果如图 4 所示。 不同碳含量的 Al2O3-C 材料 A~D,与渣接触面都较为光 滑,未见明显的渣蚀现象,显示较好的抗渣侵蚀性能。在坩埚 的底部,四种材料都出现金属铁的圆颗粒,其原因是渣中铁的 氧化物成份较高,与 Al2O3-C 材料接触后,发生铁的还原反应, 形成金属铁,在高温下碳对液态的金属铁不润湿,铁液无法渗 入耐火材料,因而在底部形成不润湿的圆形。 含碳材料中碳含量降低,使钢水/溶渣与材料的润湿性增 强,会使材料的抗熔渣及钢水的渗透性变差[3]。本实验中,碳
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含量降低到 5w\%t 时,抗渣侵蚀性未见明显下降。其原因是添 加金属 Al 和 SiC,金属 Al 在中低温条件下会形成 Al4C3,提高 其强度和致密性,使抗渣能力增加。SiC 在高温下 CO 气氛中, 会 有 反 应 [5]:
热力学计算可知, 1600 K 时 PCO 为
  0. 089 个大气压时, 反应就会进行。 因此,本实验环境中,必然会有碳及 SiO2 生成。 SiO2 生成会有体积膨胀,堵塞气孔,减少渣的渗透。碳的生成 会弥补碳含量的降低,减小渣对 Al2O3-C 的润湿,提高材料的 抗 渣 性 。
4


(
  1)Al2O3-C 耐火材料,随着温度的升高,显气孔率增大,体 积密度减小。且随着碳含量的降低,显气孔率减小,体积密度 相应增大;其趋势在碳含量 10 w\%t 以上时十分明显; (
  2)热处理温度为 2
  00℃时,酚醛树脂固化使得 Al2O3-C 材料强度最高;而 6
  00℃时,树脂分解使得材料强度最低;温度
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继续升高时,树脂碳化及烧结作用存在,强度提高。在各个温 度点上,随着碳含量的增加,碳的氧化程度加大,使得强度降 低; (
  3)Al2O3-C 材 料 随 着 碳 含 量 降 低 ,Al2O3 的 含 量 大,Al2O3 致密层更易生成,材料的高温强度越高。不同碳含 量的 Al2O3-C 材料都显示出较好的抗渣侵蚀性能。 参考文献 [1] Khanna R, Spink J, Sahajwalla V. Role of ash impurities in the depletion of carbon from alumina-graphite mixtures in to liquid iron[ J].ISIJInternational,2007,47(
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  44. andMaterialsProcessing
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[5]山口明良.实用热力学及其在高温陶瓷中的应用[M]. 武汉:武汉工业大学出版社, 1993,
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  3): 161-1
  64.  

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