论石墨含量对al2o3-c材料物理化学性能的影响

Al2O3-C化学性能研究论文：石墨含量对Al2O3-C材料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 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-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1所示。将料称好后,先将细粉加入搅拌机中预混合35 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35 min。混好的料在150MPa的压力下,分别压成36 mm36 mm圆柱试样、外径50 mm50 mm内径15 mm15 mm的坩埚试样以及25 mm25 mm125 mm的条形试样。压好的试样在200下干燥24 h。圆柱试样和条形试样分别在600、1200和1500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1600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1400埋炭气氛下作高温抗折强度实验。 3结果与讨论3. 1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1011 Pa以下5。因此,尽管试验在埋碳气氛,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。200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AD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200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600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200,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1400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致密层更加容易,致使材料的高温强度越高。 3. 3A 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1600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AD,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结论(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200时,酚醛树脂固化使得Al2O3-C材料强度最高;而600时,树脂分解使得材料强度最低;温度继续升高时,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(2): 282-288.2 Khanna R,RodgersB,McCarthy F, et a.l Dissolution of carbon from alumina-carbonmixtures into liquid iron: Influence of carbonaceousmaterialsJ.MetallurgicalandMaterialsTransactionsB:ProcessMetallurgy andMaterialsProcessing Science,2006,37(4): 623-632.3朱伯铨,张文杰.低碳镁碳砖的研究现状与发展J.武汉科技大学学报, 2007,30(3): 233-237.4王志强,朱伯铨,方斌祥,等.不同粒度的鳞片石墨对低碳镁碳耐火材料性能的影响J.材料导报, 2008,22(9): 139-141, 144.5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, 11.6王志强,朱伯铨,方斌祥,等.