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。     

原位生成非氧化物对刚玉基浇注料性能的影响

为了进一步提高刚玉基浇注料的高温使用性能,在超低水泥刚玉浇注料中加入质量分数分别为0、4%、6%、8%、10%的硅粉,经振动浇注成型、养护、烘干后,在氮气气氛中于1 450℃氮化处理40 h,测定试样的加热永久线变化及烧后试样的显气孔率、体积密度、常温抗折强度和不同温度(分别为1 000、1 200、1 300和1 400℃)下的热态抗折强度,并对部分氮化后试样进行XRD和SEM分析。结果表明:1)随着硅粉加入量的增加,试样在氮化处理过程中从发生微收缩到发生微膨胀,显气孔率略有增大,体积密度和常温抗折强度下降,热态抗折强度显著提高;2)氮化处理后,试样中原位生成了非氧化物β-SiAlON、O’-SiAlON和α-Si3N4等。     

原位生成柱状莫来石和SiC晶须对Al_2O_3–SiC–C耐火材料性能的影响

以煅烧铝矾土、棕刚玉、板状刚玉、鳞片石墨、碳化硅粉为原料,单质Si粉为添加剂,酚醛树脂为结合剂,制备出Al_2O_3–Si C–C耐火材料。研究了不同热处理温度对材料显微结构及性能的影响。结果表明:在埋碳条件下,1 000℃烧成后样品中有柱状莫来石物相生成;1 400℃烧成后柱状莫来石长径比增大,同时还有Si C晶须生成。热处理温度从1 000℃升高到1 400℃时,样品显气孔率和常温耐压强度变化不明显,但常温抗折强度提高54.73%,达到8.17 MPa,载荷位移量增大近20%。3次热震后残余耐压强度保持率从54.36%(200℃烧成后)提高到89.10%(1 400℃烧成后)。原位生成的Si C晶须和发育良好的柱状莫来石显著提高了样品常温抗折强度、断裂韧性和抗热震性。     

加入Si粉对Al2O3-SiAlON复合材料性能的影响

为了研究加入Si粉对Al2O3-SiAlON复合材料的烧结、高温力学性能、物相组成和显微结构的影响,以电熔白刚玉(3~1 mm、≤1 mm和≤0.043 mm)、矾土基β-SiAlON(≤0.074 mm)和Si粉(d50=19.71μm)为主要原料,配制成Si粉加入量(质量分数)分别为0、2%、5%、8%和11%的5种试样;以纸浆为结合剂,经混练、成型、烘干和1 500℃保温3 h埋炭烧成后,测量试样的质量变化率、线变化率、显气孔率、体积密度、常温耐压强度、常温抗折强度、埋炭条件下的热态(400~1 400℃)抗折强度、应力-应变特性和抗热震性,并进行了XRD、SEM和EDS分析。研究显示:加入Si粉可以降低材料的显气孔率,提高材料常温强度尤其是高温抗折强度,改善材料的抗热震性;加入Si粉的试样在1 500℃埋炭煅烧过程中,单质Si转化为纤维状SiC和颗粒状SiAlON等非氧化物,对试样起到增强、增韧作用,有利于提高材料的高温力学性能和抗热震性。     

硅溶胶结合刚玉-莫来石快干浇注料的性能与应用

对比测试了常温浇注成型及在模拟热态修补条件下浇注成型的硅溶胶结合刚玉-莫来石快干浇注料分别在815、1 100和1 400℃保温3 h热处理后的常温抗折强度、常温耐压强度、体积密度和加热永久线变化以及常温浇注成型的硅溶胶结合刚玉-莫来石浇注料和矾土水泥结合刚玉质浇注料的抗热震性,并在钢厂对硅溶胶结合刚玉-莫来石浇注料进行了现场应用试验。结果表明:硅溶胶结合刚玉-莫来石浇注料的烘干强度与普通低水泥刚玉质浇注料的相当,815和1 100℃热处理后强度比烘干强度高;硅溶胶结合刚玉-莫来石浇注料热震循坏(1 100℃,水冷)100次后基本上没有出现裂纹,其耐压强度损失率仅为18.7%;在模拟热态条件下成型的硅溶胶结合刚玉-莫来石浇注料的性能与常温浇注成型的相当。在现场应用试验中,硅溶胶结合刚玉-莫来石浇注料的脱模时间和烘炉时间大大缩短,并且可以热态浇注,具有良好的使用性能。     

采用微孔CA6-MA骨料的Al2O3-CaO-MgO轻质浇注料的性能

以自合成的微孔CA6-MA颗粒(8～5、5～3、3～1 mm)为骨料,以速烧刚玉粉(≤0.074、≤0.043 mm)、α-Al2O3微粉、纯铝酸钙水泥为粉料,经配料、混练、振动成型、养护、烘干后,分别在1 000、1 200、1 400、1 600℃保温3 h热处理,检测热处理后试样的永久线变化、显气孔率、体积密度、常温抗折强度、常温耐压强度、热态抗折强度和热导率,并分析其显微结构。结果表明:1)试样在1 600℃热处理后的永久线变化为1.14%,1 600℃热处理后试样的显气孔率为59.84%,体积密度为1.51 g.cm-3,常温抗折强度为2.7 MPa,常温耐压强度为7.3 MPa,1 400℃的热态抗折强度为1.4 MPa,1 000℃的热导率为0.219 W.m-1.K-1;2)1 600℃热处理后试样基质中有大量片状CA6,骨料和基质之间结合很好。     

MgCO3对刚玉浇注料物理性能的影响

以电熔白刚玉、α-Al2O3微粉、水合氧化铝和MgCO3亚微粉等为原料,固定骨料与基质料的质量比为70∶30不变,分别用质量分数为0、0.5%、1%、2%、3%和4%的MgCO3替代等量的α-Al2O3微粉,制成含Mg-CO3的刚玉浇注料。按照浇注料的基质组成配料并浇注成25 mm×10 mm的基质试样,研究了含MgCO3的刚玉浇注料基质矿相随热处理温度(分别为800℃、1 100℃、1 400℃和1 600℃)的变化,以及MgCO3加入量对不同温度处理后浇注料试样的显气孔率、体积密度、线变化率及冷、热态抗折强度的影响,并对热态抗折试验后试样进行了显微结构分析。结果表明:MgO通过固熔而稳定刚玉原料中的β-Al2O3,并促进其生成板状晶体;与冷态抗折强度相比,MgCO3对浇注料的热态抗折强度(特别是1 400℃的)影响较显著;加入0.5%~1.0%的MgCO3时,板状β-Al2O3的生成使试样的热态抗折强度提高;加入2.0%以上的MgCO3亚微粉时,液相数量的增加以及晶粒细化使热态抗折强度降低。     

铝酸盐水泥对硅溶胶结合刚玉质浇注料结构与性能的影响

结合铝酸盐水泥与硅溶胶各自的优势来改善浇注料的力学性能是一种既廉价又简便的优化策略。以棕刚玉、致密刚玉等为主要原料，硅溶胶和铝酸盐水泥为结合剂，制备了刚玉质浇注料，研究了铝酸盐水泥加入量(加入质量分数分别为0、1%、2%、3%和4%)对硅溶胶结合刚玉质浇注料的影响。结果表明，铝酸盐水泥水化促进了硅溶胶的凝聚缩合反应，同时形成Si—O—Ca、Si—O—Al化学键，加快形成稳定的三维网络结构。随着铝酸盐水泥加入量的增加，试样经110℃养护后的常温强度增大，经1 100、1 400℃热处理后的常温强度先升高后降低，经1 400℃热处理后的高温抗折强度迅速下降，热震后的常温抗折强度先升高后小幅下降，强度保持率则逐渐增加。添加1%(w)铝酸盐水泥的硅溶胶结合浇注料试样的综合性能最佳。     

氮化硅-氧氮化硅复合粉对Al_2O_3-SiC-C铁沟料性能的影响

为了进一步提高Al_2O_3-SiC-C出铁沟浇注料的性能并降低其生产成本,在其中加入质量分数分别为0、2%、4%、6%、8%的氮化硅-氧氮化硅复合粉等量替代其中的碳化硅粉,加水搅拌均匀后,检测料浆的流动性,再经浇注成型、养护、烘干、不同温度(800、1 100和1 450℃)热处理等程序制成浇注料试样,然后检测浇注料试样的线变化率、显气孔率、体积密度、常温抗折强度、热态抗折强度和抗渣性,并采用XRD分析浇注料试样的物相组成。结果表明:1)加入氮化硅-氧氮化硅复合粉后,Al_2O_3-SiC-C出铁沟浇注料的初始流动值减小,烧后线变化率、显气孔率、体积密度、常温抗折强度和热态抗折强度变化不大,抗高炉渣侵蚀性提高。2)综合考虑,氮化硅-氧氮化硅复合粉的最佳加入量为4%(w)。     

蓝晶石对硅溶胶结合Al_2O_3-SiC-C浇注料性能的影响

为了提高Al2O3-Si C-C浇注料在高温使用过程中的体积稳定性,用蓝晶石粉部分替代Al2O3-Si C-C浇注料中的白刚玉粉,研究了蓝晶石加入量(质量分数分别为0、1%、2%、3%、4%、5%和6%)对浇注料经烘干和1 400℃保温3 h热处理后物理性能的影响。结果表明:随着蓝晶石加入量的增加,试样经1 400℃保温3 h热处理后由微收缩逐渐变为微膨胀,体积稳定性以蓝晶石加入量为5%(w)时为最好。经110℃烘24 h后试样的显气孔率、常温耐压强度和常温抗折强度变化都很小,体积密度基本上呈降低趋势;经1 400℃保温3 h热处理后试样的显气孔率基本上呈先升高后降低的变化趋势,体积密度则呈相反的变化趋势,并且均以蓝晶石加入量3%(w)为拐点;常温耐压强度和常温抗折强度略有降低,但降低幅度很小。同一配比的试样,1 400℃保温3 h热处理后的体积密度、显气孔率、常温耐压强度、常温抗折强度均比经110℃烘24 h后的高。XRD、SEM和EDS分析表明,蓝晶石发生了一次莫来石化反应而产生体积膨胀,有效缓解了试样的烧结收缩,使试样具有较好的体积稳定性。     

TiO2加入量对刚玉-尖晶石浇注料性能的影响

以板状刚玉为骨料,电熔白刚玉粉、电熔尖晶石粉、α-Al2O3微粉、纯铝酸钙水泥、金红石型TiO2为基质,按骨料、基质质量比为70:30配料,用金红石型TiO2替代≤0.044 mm电熔白刚玉细粉,其加入量(w)分别为0、2%、4%和6%,加水混匀后振动浇注成25 mm×25 mm×125 mm的试样,于室温下养护24 h后脱模,经110℃24 h烘干后,分别经1 100、1 300、1 500℃热处理3 h后,进行常温物理性能、热态抗折强度、抗热震性的研究,并利用SEM对部分试样在1 400℃下高温抗折强度试验后的断口形貌进行分析。结果表明:(1)1 300和1 500℃烧后试样基质中主要物相为刚玉、尖晶石、钛酸铝和六铝酸钙;随TiO2加入量的增加,TiO2与Al2O3反应生成的钛酸铝衍射峰强度逐渐增加。(2)加入TiO2对1 100和1 300℃烧后刚玉-尖晶石浇注料的显气孔率、体积密度和线变化率影响较小;但使1 500℃烧后浇注料的显气孔率降低,体积密度增加,体积变化从微膨胀到收缩。(3)加入2%TiO2可明显提高浇注料的常温强度,但加入量>4%时明显降低了浇注料的常温强度。(4)加入TiO2对浇注料的高...     

骨料对Al2O3-SiC-C铁沟浇注料性能的影响

为降低铁沟浇注料的原料成本和促进固体废弃物的资源再利用,分别以还原刚玉质骨料和棕刚玉骨料,在其他实验条件相同的前提下,制备了两种Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料试样,研究对比了两种骨料对浇注料的性能的影响.结果表明:(1)试样分别经110℃和1100℃热处理后,以还原刚玉为骨料的试样(编号为1#)的体积密度皆低于以棕刚玉为骨料的试样(编号为0#),其显气孔率皆高于试样0#的;经1500℃热处理后,试样1#的体积密度高于试样0#的,其显气孔率低于试样0#的;经110℃、1100℃热处理后,试样1#的常温抗折强度皆高于试样0#的,而常温耐压强度表现则相反;经1500℃热处理后,试样1#的常温抗折强度和常温耐压强度皆高于试样0#的.(2)还原刚玉骨料玻璃相含量较高,致使试样1#的高温抗折强度低于试样0#的.(3)与试样0#相比,试样1#的抗侵蚀性较差,抗渗透性较好.综合考虑还原刚玉的各项性能可知,还原刚玉有望作为骨料替代棕刚玉在高炉出铁沟浇注料中的使用.     

低碳Al_2O_3–C材料中β-Sialon相的生成及对性能的影响

以板状刚玉、石墨、活性α-Al_2O_3微粉等为主要原料、金属Al粉和单质Si粉为添加剂、酚醛树脂为结合剂,在埋焦炭条件下经1 200和1 400℃热处理制备低碳Al_2O_3–C耐火材料,研究了不同温度下低碳Al_2O_3–C材料中β-Sialon相的生成及对性能的影响。结果表明:1 200℃烧成后,试样中有短柱状AlN、Si_3N_4和SiC晶须等新物相生成;1 400℃烧成后,试样中物相AlN和Si_3N_4消失,有呈晶须及片状的β-Sialon相生成,Si C晶须长径比增加。SiC和β-Sialon等新物相的原位生成,提高了1 400℃烧成后试样的性能,常温耐压强度提高30.38%,达到87.75 MPa,常温抗折强度和高温抗折强度分别提高到20.01和15.69 MPa,弹性模量和载荷位移量都提高12%以上。热震稳定性改善显著,3次热震后常温耐压强度损失仅为8.23 MPa。     

结合剂对Al2O3-MgAl2O4-SiC-C质铁沟浇注料性能的影响

以电熔镁铝尖晶石(粒度为5～3mm、3～1mm)和电熔白刚玉颗粒(粒度<1mm)以及白刚玉细粉、碳化硅细粉、活性αAl2O3微粉、Si粉和球状沥青等为主要原料,在保持基料的配比不变的条件下分别采用铝酸钙水泥(w,3%) SiO2微粉(w,2%)及ρAl2O3(w,4%)为结合剂,振动成型为Al2O3-MgAl2O4-SiC-C试样,室温养护24h后脱模,分别于110℃24h、1100℃3h和1500℃3h(埋炭)条件下热处理,然后测定试样的体积密度、显气孔率、线变化率、抗折强度、耐压强度和抗渣性。试验结果表明:铝酸钙水泥 SiO2微粉结合的浇注料流动性较好,经110℃24h、1100℃3h和1500℃3h(埋炭)热处理后,试样的显气孔率较小,体积密度较大,常温耐压强度和常温抗折强度优于以ρAl2O3为结合剂的;但是,采用铝酸钙水泥 SiO2微粉作结合剂的试样经1500℃埋炭3h处理后的线变化率较大,试样的高温抗折强度和抗侵蚀性能也明显低于ρAl2O3结合试样的。     

添加Ti3AlC2对MgO-C材料性能的影响

以烧结镁砂、鳞片石墨、Si粉、Ti₃AlC₂粉为主要原料,以酚醛树脂为结合剂,配制成w（鳞片石墨）=9%的普通MgO-C试样MC和w（鳞片石墨）=4%、w（Ti₃AlC₂）=3%的MgO-Ti₃AlC₂-C试样MC-3AC,经混练、成型、110℃干燥、220℃固化后,在埋碳条件下分别于1 100、1 400和1 600℃保温3 h热处理。检测试样的显气孔率、常温抗折强度、弹性模量和1 100、1 300、1 500℃空气气氛下的抗氧化性,并进行了XRD分析。结果表明：1)在220℃固化后,试样MC-3AC的显气孔率比试样MC的小,常温抗折强度和弹性模量比试样MC的大得多。2)在1 100～1 600℃埋碳热处理后,试样MC-3AC的显气孔率比试样MC的小,常温抗折强度和弹性模量均比试样MC的大。3)在1 100和1 300℃氧化时,试样MC-3AC的抗氧化性比试样MC的差,也比1 500℃时试样MC-3AC的差;但在1 500℃氧化时,试样MC-3AC的抗...     

SiO_2微粉加入量对ρ-Al_2O_3微粉结合刚玉浇注料的影响

在ρ-Al2O3微粉结合刚玉浇注料中分别加入2%和5%的SiO2微粉,制成40 mm×40 mm×160 mm的试样,分别经110℃24 h、1 200 ℃ 3 h和1 500℃3 h热处理后,测定试样的常温抗折强度;在上述配比的基础上去掉其中的骨料,制成15 mm×15 mm×55 mm的基质试样,分别经110℃24 h、1 200℃1 h和1 500℃1 h热处理后,采用扫描电镜分析试样的显微结构.结果表明:1)加入SiO2微粉可以显著提高ρ-Al2O3微粉结合刚玉浇注料在110℃24 h、1 200℃3 h和1 500℃3 h条件下热处理后的常温抗折强度,SiO2微粉加入量以2%(w)为佳;2)SiO2微粉水化后形成网状絮凝结构以及在中高温处理过程中SiO2微粉与ρ-Al2O3微粉反应生成莫来石,是导致含SiO2微粉的ρ-Al2O3微粉结合刚玉浇注料常温抗折强度增大的原因.     

Carbores P加入量对硅溶胶结合铁沟浇注料性能的影响

为了获得更加环保的Al2O3-Si C-C铁沟浇注料,在w(电熔棕刚玉颗粒)为60%、w(Si C颗粒和细粉)为21%、w(硅灰)为3%、w(α-Al2O3微粉)为3%、w(白刚玉微粉)为10.5%、w(Si粉)为2.5%的基础配方中,分别以质量分数为0、1%、2%、3%和4%的环保型含碳材料Carbores P等量替代白刚玉微粉,外加质量分数为7%的硅溶胶为结合剂,制成Al2O3-Si C-C浇注料,研究了Carbores P加入量对110℃干燥后及1 100和1 500℃烧后试样显气孔率、体积密度、烧后线变化率、常温耐压强度、常温抗折强度和高温抗折强度的影响。结果表明:随着Carbores P加入量的增加,干燥及烧后试样的显气孔率逐渐增大,干燥后试样的体积密度逐渐减小,1 100℃烧后试样的线膨胀率逐渐增大,干燥后试样的常温抗折强度和常温耐压强度以及1 100和1 500℃烧后试样的常温抗折强度变化均不大;1 100和1 500℃烧后试样的体积密度、1 500℃烧后试样的线膨胀率、1 100和1 500℃烧后试样的常温耐压强度、干燥后试样的高温抗折强度等均呈先增大后减小的变化趋势,均在Carbores P加入量为2%(w)时达到了最大。     

ZrO_2加入量对刚玉-尖晶石浇注料性能的影响

以板状刚玉颗粒(6～3、3～1和≤1 mm)为骨料,电熔白刚玉粉(≤0.088和≤0.044 mm)、电熔尖晶石细粉(≤0.044mm)、α-Al2O3微粉(≤5μm,d50=1.2μm)、纯铝酸钙水泥、单斜氧化锆(≤15μm,d50=6.2 μm)为基质,按骨料与基质质量比为70:30配料,基质中纯铝酸钙水泥的加入量(质量分数,下同)为3%、α-Al2O3微粉为6%、电熔尖晶石细粉为10%,用单斜氧化锆等量替代电熔白刚玉细粉,其加入量分别为0、2%、4%、6%和8%,加水混匀后振动浇注成25 mm×25 mm×125 mm的试样,于室温下养护24 h后脱模,经110℃24 h烘干后,分别经1 100、1 500、1 600℃热处理3 h.对各温度热处理后试样进行了常温物理性能、热态抗折强度、抗热震性能检测,并利用SEM对部分试样于1 400℃高温抗折强度试验后的断口形貌进行了分析.结果表明:(1)随ZrO2加入量的增加.刚玉-尖晶石浇注料于1 500和1 600℃处理后的常温抗折强度降低,显气孔率升高,故ZrO2的加入对材料的烧结性略有负面影响.(2)随zrO2加入量的增加,1 600℃处理后试样的热态抗折强度下降,但热态抗折强度在1 000℃以前变化较小,1 000℃以后明显降低.(3)ZrO2的加入改善了试样的抗热震性能,其质量分数为2%时,1 100℃水冷1次和3次后的强度保持率和残余强度最大.(4)本试验范围内ZrO2的最佳加入量为2%.     

Al2O3-Al-C材料加热过程的变化

按w(板状刚玉)=84%,w(铝粉)=8%,w(α-Al2O3微粉)=6%,w(鳞片石墨)=2%的配比配料,外加3%热固性酚醛树脂作结合剂,成型后于200℃烘烤24h。在埋炭条件下于600～1400℃保温3h加热处理,冷却后测量试样的线变化率、显气孔率和常温耐压强度,并分析部分试样的孔径分布、相组成和显微结构,同时测定烘烤后试样在600℃、800℃、1000℃、1200℃和1400℃下的热态抗折强度,以分析该材料在加热过程的变化。结果表明,试样在600～1400℃埋炭加热过程中的变化可大致分为3个阶段:1)600～800℃,金属Al于660℃熔化,促进试样致密化,在800℃时已有少量Al4C3和AlN生成,使加热后试样的致密度和强度增大;2)800～1200℃,大量生成Al4C3和AlN,Al4C3和AlN填充在刚玉骨架结构中,试样的显气孔率进一步减小,常温耐压强度和热态抗折强度进一步增大;3)1200～1400℃,金属Al消失,Al4C3含量减少,部分与N2反应转化为AlN,试样的显气孔率略有降低,常温耐压强度和热态抗折强度略有增大。由此可见,随着加热温度的提高,材料的结合方式从碳结合转变为碳和金属铝复合结合,最后逐渐转变为碳和非氧化物复合结合。     

硅溶胶对刚玉浇注料性能的影响

以5～8、3～5、1～3及≤1 mm的电熔刚玉为骨料,致密刚玉粉(≤0.074 mm)、白刚玉粉(≤0.043mm)及α-Al2O3微粉为细粉,矾土水泥和硅溶胶为结合剂,按骨料、粉料质量比为64∶36配料制成试样,自然养护后于110℃24 h烘干,然后分别于815℃3 h、1 100℃3 h和1 400℃3 h热处理。对处理后试样进行了常温抗折强度、耐压强度、体积密度、线变化率和抗热震性能的检测及显微结构分析。结果表明:硅溶胶结合浇注料于1 100℃3 h处理后的抗折强度和耐压强度分别达到27.1和178 MPa,远高于相同温度下水泥结合浇注料的;硅溶胶结合浇注料在20～1 100℃水冷热震循坏100次后基本没有出现裂纹,其耐压强度损失率仅为24.4%,而水泥结合的浇注料热震循坏49次后就完全开裂。