論石墨含量對al2o3-c材料物理化學(xué)性能的影響

Al2O3-C化學(xué)性能研究論文：石墨含量對Al2O3-C材料物理化學(xué)性能的影響摘要: Al2O3-C材料具有較好的高溫性能,廣泛應(yīng)用于連鑄功能性耐火材料。為滿足潔凈鋼技術(shù)的發(fā)展要求,本文研究了石墨含量對Al2O3-C材料物理化學(xué)性能的影響。以不同粒度的電熔白剛玉為主要原料,加入SiC微粉和金屬Al抗氧化劑,以酚醛樹酯為結(jié)合劑,研究了石墨含量對不同溫度下Al2O3-C材料物理性能及抗渣侵蝕性的影響。結(jié)果顯示,碳含量的降低,材料的顯氣孔率下降,體積密度增大,冷態(tài)和高溫強(qiáng)度增加。不同碳含量的Al2O3-C材料都顯示出良好的抗渣侵蝕性能。關(guān)鍵詞: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 at different temperature. Fused corundum of different particles size were used as startingmaterialswith addition of SiC and Al as anti-oxidation 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引言鋁碳質(zhì)耐火材料具有高的強(qiáng)度、良好的抗渣性和熱震穩(wěn)定性等,被廣泛地用作連鑄水口、滑板等功能部件1。近年來,隨著連鑄、爐外精煉及潔凈鋼等煉鋼新技術(shù)發(fā)展,不僅對耐火材料的使用性能提出了更高要求,而且還要求耐火材料的含碳量進(jìn)一步降低,以避免鋼液中增碳行為的發(fā)生,影響鋼的質(zhì)量2。因此,在保證含碳耐火材料高性能的基礎(chǔ)上,低碳化成為其發(fā)展趨勢3, 4。本文以白剛玉和SiC為骨料,以活性氧化鋁、石墨、抗氧化劑為基質(zhì),用樹脂為結(jié)合劑,研究Al2O3-C質(zhì)材料的熱、力學(xué)性能,探討碳含量對不同溫度下Al2O3-C材料物理性能和抗渣性能的影響。2實(shí)驗過程以白剛玉、石墨、SiC為主要原料,加以超細(xì)粉-Al2O3,抗氧化劑采用金屬Al粉,以酚醛樹脂為結(jié)合劑,具體方案如表1所示。將料稱好后,先將細(xì)粉加入攪拌機(jī)中預(yù)混合35 min,再加入粗顆粒將其混合均勻,在攪拌的過程中加入樹脂混合35 min?；旌玫牧显?50MPa的壓力下,分別壓成36 mm36 mm圓柱試樣、外徑50 mm50 mm內(nèi)徑15 mm15 mm的坩堝試樣以及25 mm25 mm125 mm的條形試樣。壓好的試樣在200下干燥24 h。圓柱試樣和條形試樣分別在600、1200和1500埋炭熱處理3 h后,分別測量顯氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度。干燥后的坩堝試樣在1600埋炭氣氛下作抗渣性實(shí)驗,渣采用IF渣系,成份如表2所示;條形試樣在1400埋炭氣氛下作高溫抗折強(qiáng)度實(shí)驗。 3結(jié)果與討論3. 1不同碳含量A l2O3-C材料的物理性能研究試樣A、B、C、D埋炭氣氛下,經(jīng)不同溫度處理后的顯氣孔率和體積密度如圖1所示,四種試樣的顯氣孔率都隨溫度的升高而增大,其體積密度相應(yīng)減小。石墨在高溫下,會與氣氛中的氧氣形成CO及CO2氣體,且石墨與這些氣體共存時PO2氣壓需在1011 Pa以下5。因此,盡管試驗在埋碳?xì)夥?但也會不可避免的存在碳的氧化形為,使顯氣孔率增加,體積密度降低。且隨著溫度的升高,碳的氧化程度更大,顯氣孔率隨之增加,體積密度隨之減小。試樣A、B、C、D埋炭氣氛下,經(jīng)不同溫度處理后的冷態(tài)抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度如圖2所示。200處理后,試樣的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度最高,隨著溫度升高,抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度降低。試樣AD的強(qiáng)度主要來源于結(jié)合劑酚醛樹脂,它對剛玉、石墨等具有良好的潤濕能力,其在200處理后發(fā)生聚合反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而固化,使試樣具有最高的強(qiáng)度。當(dāng)溫度升高到600時,固化后的網(wǎng)絡(luò)狀樹脂發(fā)生分解,生成含碳和氫的氣體,使得強(qiáng)度大幅降低;同時金屬Al溶解成液態(tài),也會降低試樣強(qiáng)度。繼續(xù)升高溫度,分解后的樹脂會碳化,形成結(jié)合碳,使得試樣的強(qiáng)度增加。而金屬Al會發(fā)生反應(yīng)形成化合物,以及細(xì)粉部分發(fā)生燒結(jié),這些因素都會導(dǎo)致試樣強(qiáng)度的增加。石墨含量對Al2O3-C材料性能的影響十分明顯。從圖1看,在各個溫度點(diǎn)上,隨著石墨含量的增加,顯氣孔率增加,體積密度降低,抗折和耐壓強(qiáng)度也隨之降低(如圖2所示)。由于石墨呈鱗片狀,在Al2O3-C材料中堆積時不能按照層狀堆積方式堆積,在壓制成型時,致使料中剛玉與石墨之間必然要產(chǎn)生空隙。所以隨著碳含量的增加,這種空隙就會越多,使得材料致密性下降,強(qiáng)度隨之降低。當(dāng)碳含量增加到10w%t以上時,顯氣孔率與體積密度受其含量的影響較小,其原因是石墨的密度較小,此時體積分?jǐn)?shù)占的比重較大,石墨與石墨之間堆積起來,其含量對顯氣孔率和體積密度影響減小6。但當(dāng)熱處理溫度高于200,由于石墨含量的增加使得Al2O3-C材料更易于氧化,其顯氣孔率相應(yīng)增加,體積密度下降,同時強(qiáng)度相應(yīng)降低。 3. 2碳含量對A l2O3-C材料高溫抗折強(qiáng)度的影響研究將不同碳含量Al2O3-C條形試樣埋碳加熱到1400保溫0. 5 h,測定其高溫抗折強(qiáng)度,如圖3所示。由圖3看出,Al2O3-C材料中碳含量越低,高溫抗折強(qiáng)度越大。高溫條件下石墨含量越大,被氧化程度越大,致使材料結(jié)構(gòu)疏松,強(qiáng)度下降。由于石墨含量少,Al2O3的含量大,所以形成Al2O3致密層更加容易,致使材料的高溫強(qiáng)度越高。 3. 3A l2O3-C材料的抗渣性研究Al2O3-C材料坩堝中放入LF渣,在埋碳?xì)夥?600下保溫3 h作抗渣實(shí)驗,結(jié)果如圖4所示。不同碳含量的Al2O3-C材料AD,與渣接觸面都較為光滑,未見明顯的渣蝕現(xiàn)象,顯示較好的抗渣侵蝕性能。在坩堝的底部,四種材料都出現(xiàn)金屬鐵的圓顆粒,其原因是渣中鐵的氧化物成份較高,與Al2O3-C材料接觸后,發(fā)生鐵的還原反應(yīng),形成金屬鐵,在高溫下碳對液態(tài)的金屬鐵不潤濕,鐵液無法滲入耐火材料,因而在底部形成不潤濕的圓形。含碳材料中碳含量降低,使鋼水/溶渣與材料的潤濕性增強(qiáng),會使材料的抗熔渣及鋼水的滲透性變差3。本實(shí)驗中,碳含量降低到5w%t時,抗渣侵蝕性未見明顯下降。其原因是添加金屬Al和SiC,金屬Al在中低溫條件下會形成Al4C3,提高其強(qiáng)度和致密性,使抗渣能力增加。SiC在高溫下CO氣氛中,會有反應(yīng)5: 熱力學(xué)計算可知, 1600 K時PCO為0. 089個大氣壓時,反應(yīng)就會進(jìn)行。因此,本實(shí)驗環(huán)境中,必然會有碳及SiO2生成。SiO2生成會有體積膨脹,堵塞氣孔,減少渣的滲透。碳的生成會彌補(bǔ)碳含量的降低,減小渣對Al2O3-C的潤濕,提高材料的抗渣性。 4結(jié)論(1)Al2O3-C耐火材料,隨著溫度的升高,顯氣孔率增大,體積密度減小。且隨著碳含量的降低,顯氣孔率減小,體積密度相應(yīng)增大;其趨勢在碳含量10 w%t以上時十分明顯;(2)熱處理溫度為200時,酚醛樹脂固化使得Al2O3-C材料強(qiáng)度最高;而600時,樹脂分解使得材料強(qiáng)度最低;溫度繼續(xù)升高時,樹脂碳化及燒結(jié)作用存在,強(qiáng)度提高。在各個溫度點(diǎn)上,隨著碳含量的增加,碳的氧化程度加大,使得強(qiáng)度降低;(3)Al2O3-C材料隨著碳含量降低,Al2O3的含量大,Al2O3致密層更易生成,材料的高溫強(qiáng)度越高。不同碳含量的Al2O3-C材料都顯示出較好的抗渣侵蝕性能。參考文獻(xiàn)1 Khanna R, Spink J, Sahajwalla V. 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