Al2O3-C耐火材料抗氧化性研究进展

综述了Al2O3-C耐火材料抗氧化方法的研究进展,介绍了浸渍氧化抑制剂法、添加抗氧化剂法、表面涂层法等抗氧化方法及其各自的抗氧化机制,并提出了改进Al2O3-C 材料抗氧化性能的研究方向.     

Mn对Al2O3-ZrO2-C耐火材料抗氧化性的影响

固定主要原料烧结板状刚玉、锆莫来石、石墨,添加剂Al粉、Si粉以及结合剂热固性酚醛树脂等的加入量,加入不同量的Mn配制成Mn、C质量比不同的Al2O3-ZrO2-C试样,埋炭烧成后检测各试样的抗氧化性.结果表明试样的氧化层厚度先随Mn加入量的增加(即Mn与C质量比的增大)而减小,即抗氧化性提高;至Mn与C质量比为14时,氧化层厚度最小,即抗氧化性最佳;当Mn含量继续增加时,氧化层厚度又开始增加,即抗氧化性降低.     

Ti粉加入量对Al_2O_3-C材料强度与抗氧化性的影响

以白刚玉、鳞片石墨为主要原料,分别外加质量分数为0、2.5%、5%、7.5%、10%的Ti粉,经等静压成型,在流动氮气中于1350℃4 h烧成,制备了含Ti的Al2O3-C试样,测试了试样的常温耐压强度、常温抗折强度和1 400℃2 h下的抗氧化性,用XRD分析了试样及其脱碳层的相组成,并用SEM观察试样脱碳层的显微形貌。结果表明:1)在流动氮气中烧成,Ti粉易于转化为TiC1-xNx(其中0≤x≤1),增强了物相间的结合力,且TiC1-xNx钉扎在基体中,增大了基体间滑移的摩擦力,提高了Al2O3-C试样的强度,外加Ti粉质量分数为5%时最佳;2)加Ti粉的Al2O3-C试样在空气中氧化时,TiC1-xNx氧化后的体积膨胀弥补了石墨被氧化后留下的空隙,阻止了外部O2的扩散,同时在高温的作用下,脱碳层氧化物间形成的钛酸铝和莫来石能胶结基体形成致密层,有效地减缓了内层非氧化物的氧化,提高了Al2O3-C试样的抗氧化性能。     

金属Zn粉对烧成Al2O3-C材料性能和显微结构的影响

通过改变金属Zn的加入量,研究了Zn含量对Al2O3-C材料烧结性能、力学性能的影响,同时借助于XRD、SEM等手段对试样的物相变化和显微结构进行了观察和分析.结果表明:(1)金属Zn的加入可以显著改善Al2O3-C材料的烧结性能,当金属Zn的加入量为1.0%时,试样的体积密度和显气孔率分别达到了最大和最小值;(2)烧成铝碳材料的显微结构受金属Zn的影响较大,金属Zn的加入量为1.0%时,试样基质和骨料部分结合良好,试样致密;(3)Zn加入量大于1.0%,试样的结合状态遭到破坏,试样中出现裂纹和孔洞;材料的抗折强度和耐压强度在金属Zn加入量为1.0%时达到了最大值.     

不烧Al2O3-C质耐火材料在水蒸气中的抗氧化性能

对高炉炉身下部用不烧Al2O3-C质耐火材料在水蒸气环境下的抗氧化性能进行了实验研究.通过实验,总结出氧化规律,建立了不烧Al2O3-C质耐火材料的氧化动力学模型.此外,还对氧化前后试样的抗折强度进行了测定和比较.     

石墨含量对Al2O3-C材料物理化学性能的影响

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.     

ZrB_2对Al-Si复合Al_2O_3-C材料高温力学性能的影响

以板状刚玉、α-Al2O3微粉、Al粉、Si粉、ZrB2和石墨为原料,酚醛树脂为结合剂,采用150 MPa压力压制成25 mm×25 mm×145 mm的试样。研究ZrB2加入量(其质量分数分别为0.5%、1%、1.5%、2%)对Al-Si复合Al2O3-C材料高温抗折强度和抗热震性的影响,并分析了试样物相组成和显微结构的变化。结果表明:(1)加入ZrB2质量分数≥1%时,可明显提高200℃烘烤和700℃热处理后试样的高温抗折强度和抗热震性;加入ZrB2对1 500℃烧后试样的高温抗折强度和抗热震性影响不大。(2)加入ZrB2后AlN和SiC生成量明显增加,晶体发育良好,形成连续交叉连锁的网络结构,对材料增强、增韧作用显著,有利于提高材料的高温强度和抗热震性。     

AlN对Al2O3-C材料性能的影响

采用碳热还原法制备的AlN复合粉(主成分是AlN和Al2O3)部分取代Al2O3-C材料中的Al2O3微粉,研究了AlN复合粉加入量(分别为0、15%和25%)对Al2O3-C材料性能的影响。结果表明:(1)试样的显气孔率随AlN复合粉取代量的增加而增大,体积密度、常温抗折强度随AlN复合粉取代量的增加而减小;(2)AlN复合粉的引入能显著提高Al2O3-C材料的高温抗折强度;(3)添加AlN复合粉的试样经熔钢侵蚀后,在材料表面形成较连续的致密层,有利于提高材料的抗熔钢侵蚀性和冲刷性。     

ZrO2基Al2O3-ZrO2-C质高温陶瓷材料抗渣性能研究

以板状刚玉、活性α—氧化铝、氧化锆(PSZ)、碳黑为主要原料,以金属硅和碳化硼作为添加剂,以热固性酚醛树脂作为结合剂,制备了ZrO2基Al2O3-ZrO2-C质材料。实验证明添加稳定氧化锆的Al2O3-ZrO2-C质高温陶瓷材料的抗渣性能优于添加单斜氧化锆、纳米氧化锆、金属铝的Al2O3-ZrO2-C质高温陶瓷材料。     

Al和Al-Si加入量对Al2O3-C材料高温性能的影响

在板状刚玉颗粒、板状刚玉细粉、α-Al2O3微粉和石墨含量(质量分数,下同)分别为65%、27%、6%和2%的Al2O3-C材料中,分别以5%、8%和11%的Al粉或Al-Si复合粉(8%Al 1.5%Si和8%Al 3%Si)替代等量的板状刚玉细粉,外加3.5%的热固性树脂混练均匀,成型后于800℃埋炭热处理3h。在埋炭条件下检测试样400~1400℃的热态抗折强度、200~1400℃的应力-应变、常温~1500℃的热膨胀率以及试样的抗热震性和抗氧化性,并对部分试样进行了XRD、SEM和EDS分析。结果表明(1)随着温度的升高,试样的热态抗折强度表现出先降低,后快速升高,最后慢速升高的变化趋势;温度≥1000℃时,试样的热态抗折强度随Al粉加入量的增多而提高;在加入Si粉后,试样的热态抗折强度进一步提高。(2)试样在低温时即产生塑性变形,一直到1400℃仍处于塑性变形阶段。(3)试样的抗热震性随Al粉加入量的增多而提高,在加入Si粉后继续小幅提高。(4)试样的抗氧化性随Al粉加入量的增加而提高,加入Si粉后由于形成致密的氧化层结构,抗氧化性进一步提高。     

金属Zn粉对Al2O3 -C耐火材料抗氧化性能的影响

以板状刚玉、鳞片石墨、Zn粉、Al粉和Si粉为主要原料,以酚醛树脂为结合剂,固定配料中板状刚玉、鳞片石墨、Al粉和Si粉的比例,分别外加0、0.5%、1%、2%和3%的Zn粉制成5组Al2O3-C试样,在120～220℃进行24h干燥处理,然后在1400℃空气气氛中加热3h,冷却后测量试样的质量变化率、脱碳层厚度、显气孔率和体积密度,同时进行显微结构观察和微区成分分析。结果表明:加入2%Zn粉的Al2O3-C试样的脱碳层厚度最小,显气孔率最低,体积密度最大,因此推断其抗氧化性能最佳。     

添加物对铝碳耐火材料防氧化涂料抗氧化性能的影响

以SiO2-A l2O3-B2O3-Na2O-K2O-CaO系釉料为基料,分别添加质量分数为10%、30%、50%、70%的氧化物(粒度均<0.076 mm的石英和刚玉粉)和非氧化物(粒度均<0.076 mm的碳化硅和硅粉),以水玻璃为结合剂配制涂料,首先研究了涂料半球温度的变化,然后将涂料涂覆在铝碳材料样块的表面,考察其抗氧化性能(以铝碳样块在200~1 300℃氧化后的质量损失率表征),并采用SEM观察了涂层结构。结果表明:加入氧化物SiO2、A l2O3以及非氧化物SiC、Si,均使涂料的半球温度升高;A l2O3和SiC的加入能增强涂料的防氧化作用,而SiO2、Si的加入使涂料的防氧化作用降低。     

Optimized mechanical properties and oxidation resistance of low carbon Al2O3-C refractories through Ti3AlC2 addition

The mechanical properties and oxidation resistance of the Al₂O₃-C refractories are of critical importance for iron and steel making processes. However, the evaporation of antioxidants related phases such as Al(g), Si(g), and SiO(g) would deteriorate these properties, especially during high-temperature treatment/application. Therefore, in the present work, a small amount of Ti₃AlC₂ compared with Al was introduced to overcome these problems. The phase compositions, microstructures, mechanical properties, and oxidation resistance of Ti₃AlC₂ containing refractories were investigated. The partial oxidation of Ti₃AlC₂ led to inherited lamellar structures such as Ti₃Al_1-xC₂, TiC, and granular Al₂TiO₅ phases. The controlled oxidation of Ti₃AlC₂ and its volume expansion contributed to the compact-structure, thereby limiting the escape of Si and SiO vapors at high temperatures. Consequently, the mechanical properties and oxidation resistance of Ti₃AlC₂ containing Al₂O₃-C refractories treated at 1600 ℃ were improved.     

矾土基锆刚玉对铝碳材料性能的影响

以电熔白刚玉、熔融石英(粒度≤0.5 mm)为骨料,鳞片石墨(粒度≤0.15 mm)、电熔白刚玉粉(粒度≤0.088 mm和≤0.045 mm)、矾土基锆刚玉(粒度≤0.088 mm)为基质,热固性酚醛树脂作结合剂,压制成125 mm×25 mm×25 mm的试样,经200℃固化24 h后,在埋炭条件下经1 200℃保温2.5 h烧制成碳质量分数为28%的铝碳材料。研究了用质量分数分别为3%、6%、9%、12%的矾土基锆刚玉等量替代铝碳材料中的石墨对其常温物理性能、热态强度和抗氧化性的影响,并采用SEM分析烧成后试样的显微结构。结果表明:(1)随着矾土基锆刚玉加入量的增加,试样的显气孔率下降,体积密度增加,常温和高温抗折强度升高,抗氧化能力增强;(2)矾土基锆刚玉的加入量超过6%,试样的抗热震性显著下降;矾土基锆刚玉取代碳的量不宜超过6%。     

原料组成对铝镁碳砖抗渣性的影响

以95棕刚玉、特级铝矾土、97电熔镁砂、鳞片石墨、金属铝粉为原料,热固性酚醛树脂为结合剂,制成4组不同原料组成的铝镁碳砖。从每组铝镁碳砖中取出4块作为样品,切成250 mm×50/73 mm×60 mm的楔形试样砌入中频炉内,然后在炉内放入60 kg碎钢,启动电源,待钢水完全熔化后,加入1 kg准备好的碱性渣,熔渣每隔1 h更换1次,如此循环10次试验结束。炉内试样冷却到室温取出,从中间纵向切开并对侵蚀深度和面积进行测量。结果表明:1)在铝镁碳砖中外加2%质量分数金属A l粉,铝镁碳砖的抗碱性渣能力得到了明显提高。2)在铝镁碳砖中增加棕刚玉含量,减少铝矾土含量,铝镁碳砖的抗碱性渣侵蚀能力得到提高。     

Effect of mixing on the properties of nanocarbon containing Al2O3-C continuous casting refractories

The functional refractories used in steel casting operations are usually made up of alumina-carbon compositions having graphite as the major source of carbon. In recent times, to reduce the carbon content and to enhance the performance by designing microstructure at nano-sized level, several nano carbon sources and organic binders are introduced to traditional carbon-based refractories. The homogenous distribution of nano carbon sources within the refractory composition is important to get the advantages of its use. In the present work, nanocarbon black is used along with graphite in the alumina-carbon system. Three different mixing procedures are followed and how mixing effects the physical and mechanical properties is evaluated. The mixing order with proper nanocarbon distribution throughout the batch composition provided significant improvement in the properties. The microstructural analysis and in situ phase developments in the samples at different temperatures are also studied.