金属铝结合镁-尖晶石-碳滑板的研制

研究了不同添加物(电熔刚玉、镁铝尖晶石、碳化硅和阿隆)对镁碳材料物理性能和抗热震性的影响,炭素种类对镁碳材料物理性能和抗氧化性的影响以及抗氧化剂种类和加入方式对镁碳材料常温抗折强度和抗氧化性的影响,根据确定的最佳添加物研制连铸钢包用滑板材料。结果表明:加入镁铝尖晶石有利于提高材料的抗热震性;与炭黑相比,添加597微细石墨可显著提高材料的常温抗折强度、致密度以及抗氧化性;以碳化硼和硅粉作为复合添加剂,有利于提高材料中、高温处理后的常温抗折强度,同时也提高了材料的抗氧化性;研制的镁-尖晶石-碳滑板材料在实际使用中的抗拉毛性优于重烧铝锆碳滑板,达到了钢厂的使用要求。     

石墨种类对尖晶石碳材料性能与结构的影响

以质量分数分别为88%的镁铝尖晶石、8%的石墨、1%的B4C、3%的铝硅合金粉为原料,外加7%的酚醛树脂和2. 5%的酒精制备了尖晶石碳材料,研究了石墨种类(鳞片石墨(+199和-199)、超细鳞片石墨SG、膨胀石墨EG)对该材料性能与结构的影响。结果表明:1)石墨含量至8%(w)时,石墨在基质中的分布不连续。鳞片石墨(+199和-199)对试样抗热震性和常温强度影响不大。加入3%(w)的超细鳞片石墨对试样的抗热震性较佳; 2)热震后试样的残余强度随膨胀石墨含量的增加稍有提高,而强度保持率最高试样的常温抗折强度则较低,综合考虑加入1%(w)的膨胀石墨较为适宜; 3)尖晶石碳棒头材料中石墨组成为鳞片石墨(+199和-199)和膨胀石墨,制备了多支塞棒进行了工业试验,结果表明该塞棒棒头不开裂,抗冲刷性能较好。     

无碳免烧刚玉-莫来石质滑板砖的研制与应用

以板状刚玉、莫来石、α-Al2O3微粉、铝粉、硅粉、碳化硅粉和新型结合剂为主要原料,通过研究铝粉加入量(质量分数分别为0、3%、6%、9%、12%、15%)、硅粉加入量(质量分数分别为2%、4%、6%、8%)及铝粉、硅粉加入比例(其质量比分别为15:0、12:3、9:6、7.5:7.5、6:9、3:12和0:15)对试样致密度、常温强度、高温强度、抗热震性和抗氧化性的影响,研制了无碳免烧刚玉-莫来石质滑板砖,并在多家钢厂投入实际使用。结果表明:1)随着铝粉、硅粉加入量的增加,试样的致密度、常温耐压强度、高温抗折强度、抗热震性、抗氧化性均逐渐提高,但铝粉、硅粉的加入量(w)分别超过9%和6%后,试样强度、抗热震性和抗氧化性提高均不太明显;2)随着硅粉加入比例的提高,试样常温耐压强度变化不大,高温抗折强度和抗热震性均逐渐提高;3)无碳免烧刚玉-莫来石质滑板砖能够满足2炉或3炉连滑的要求,应用效果优于铝碳质滑板砖。     

加入Al粉和Si粉对低碳MgO-Al_2O_3-C材料性能的影响

以电熔镁砂、电熔镁铝尖晶石及鳞片石墨为原料,以酚醛树脂作结合剂,在MgO-A l2O3-C材料中加入A l粉和Si粉,混练后在180 MPa压力下成型,185℃12 h热处理,制成了加入4.5%质量分数A l粉、0~3.5%质量分数Si粉的AS系列试样和同时加入2%质量分数石墨的ASC系列试样,研究了试样的常温物理性能、高温抗折强度、抗热震性及其相组成和显微结构。结果表明:(1)AS系列中,仅加入4.5%A l粉试样的高温抗折强度从未加A l粉的3.0 MPa提高到22.3 MPa,热震后抗折强度保持率从60%提高到77%;再加入1.5%Si粉后,高温抗折强度提高到27.9 MPa,热震后抗折强度保持率提高到79%;(2)加入A l粉、Si粉和石墨的ASC系列试样的高温抗折强度略高于AS系列试样的,热震后抗折强度保持率在71%~75%之间;(3)这类复合材料具有良好的热态强度和抗热震性的原因为:A l粉、Si粉在埋炭加热过程中与C、N2原位生成针状A lN和SiC等非氧化物,填充、穿插在方镁石和尖晶石骨架中,起到增强、增韧的作用。     

硼改性酚醛树脂加入量对铝碳材料性能的影响

为了改善铝碳材料的性能,以质量分数为40%的电熔刚玉(1~0.2 mm)、30%的Al2O3微粉(≤0.01mm)、25%的鳞片石墨(≤0.3 mm)、5%的添加剂(≤0.047 mm)为主原料,外加有机硼改性酚醛树脂粉和普通的酚醛树脂粉作为结合剂制备了铝碳材料。用热重分析法测定了树脂的残碳量,按相关标准测定了铝碳材料的常温抗折强度、高温抗折强度、显气孔率、抗氧化性、抗热震性,研究了硼改性酚醛树脂加入量(质量分数分别为0、2%、4%、6%、8%)对铝碳材料性能的影响。结果发现:硼改性树脂的残碳量较高;加入硼改性酚醛树脂不利于铝碳材料的强度,但可以提高铝碳材料的抗氧化性和抗热震性。     

不同铝基原料对MgO-Al-C材料性能和显微结构的影响

以烧结镁砂骨料、电熔镁砂细粉、Al粉、N220炭黑为原料,酚醛树脂为结合剂,制备MgO-Al-C材料,研究了三种铝基原料(造粒氧化铝微粉、氧化铝空心微珠、六铝酸钙)对其常温抗折强度、高温抗折强度、抗热震性及抗氧化性的影响,并借助XRD和SEM对其物相组成及显微结构进行分析。结果表明,造粒氧化铝微粉是多孔结构,可吸收热应力,加入量为1%(质量分数,下同)时,可提高材料的常温抗折强度和抗热震性,明显改善材料的抗氧化性。氧化铝空心微珠是中空结构,可缓冲热应力,加入量为3%时,可明显提高材料的常温抗折强度,并具有较高的抗热震性和抗氧化性。六铝酸钙的热膨胀系数较低,可赋予材料较好的韧性,加入量不超过5%时,样品具有较好的抗热震性。     

六方氮化硼复合氧化铝耐火材料的性能研究

以粒度为3~1和≤1 mm的板状刚玉为骨料,板状刚玉细粉、α-Al2O3微粉和Si粉为细粉,分别添加质量分数为3%的六方氮化硼、3%和10%的鳞片石墨制备了Al2O3-BN和低碳、高碳Al2O3-C三种试样,并对比了其常温物理性能、高温强度、抗氧化性、抗热震性和抗渣侵蚀性。结果表明:1)Al2O3-BN耐火材料的常温、高温物理性能与低碳铝碳材料相差不大,并优于传统高碳铝碳材料;2)Al2O3-BN耐火材料具有比碳复合耐火材料更好的抗热震性和抗氧化性,抗渣性与低碳铝碳材料的相当;3)考虑到材料的整体性能,六方氮化硼可以替代石墨作为原料,用于制备综合性能优异的氧化铝质复合耐火材料。     

加入Si粉对低碳铝镁碳材料性能的影响

以82%(质量分数,下同)的电熔白刚玉(3~0.088mm)、10%的镁铝尖晶石(≤0.088mm)、5%的氧化铝微粉(d50=2.4μm)、3%的电熔镁砂(≤0.088mm)以及占总粉体质量5%的酚醛树脂结合剂为基础配方,分别用2%、4%、6%的Si粉(≤0.088mm)取代等量的白刚玉,分别于1400℃3h和1600℃3h埋炭烧成后制备了不同Si粉含量的低碳铝镁碳材料,对材料的显气孔率、体积密度、强度、抗热震性、抗氧化性及抗渣性进行了检测,并借助XRD、SEM和EDAX研究了材料的物相组成和显微结构。结果表明:随着Si粉加入量的增加,经1400℃3h和1600℃3h埋炭烧成后,材料的体积密度逐渐降低,显气孔率增大,耐压强度明显提高(但Si粉加入量超过4%后材料的耐压强度有所降低),高温抗折强度(1400℃)逐渐提高,抗热震性得到改善,抗氧化性能增强,抗渣性能明显提高。材料性能的这种变化主要同材料中酚醛树脂的残碳与Si粉原位生成β-SiC,以及材料气孔中有Mg-Si-Al-O-N物相生成相关。     

碳的种类对铝锆碳滑板性能的影响

分别对单独加入4%(质量分数)鳞片石墨、炭黑、沥青碳3种碳材料和加入不同碳材料(总质量分数4%)复合的铝锆碳滑板进行了树脂加入量、耐压强度、高温抗折强度、显气孔率、体积密度等物理性能以及抗氧化、抗热震性能比较。试验结果表明添加石墨可以实现低的树脂加入量,试样的显气孔率低,抗氧化性好;添加炭黑可以提高试样的强度;添加沥青碳,则可提高试样的抗热震性,但抗氧化变差;复合添加这3种碳材料,可以得到强度高、抗热震好的铝锆碳滑板试样。     

Al-Mg合金加入量对低碳Al2O3-Al-C不烧滑板材料低温性能的影响

以板状刚玉、α-Al2O3微粉、石墨、Al粉、Al-Mg合金粉为原料,以酚醛树脂为结合剂,研究了铝镁合金的加入量对Al2O3-Al-C不烧滑板材料500-700℃埋碳和氧化气氛烧后抗折强度和抗氧化性能的影响.结果表明:Al-Mg合金加入量不宜超过6％;引入适量Al-Mg合金,500℃埋碳条件和氧化气氛烧后试样的常温抗折强度和抗氧化性均未改善,但600℃和700℃埋碳条件和氧化气氛烧后的常温抗折强度均提高;随温度升高,试样的常温抗折强度和抗氧化性均提高;试样常温强度和抗氧化性提高的原因在于:Al-Mg合金活性高,可保护树脂碳不被氧化,且Al-Mg合金有部分与CO反应生成MgO和Al2O3陶瓷相对材料起增强作用.     

硅粉对金属Al结合镁铝碳滑板材料性能的影响

金属Al结合镁铝碳质滑板抗侵蚀性优良,适用于浇铸钙处理钢.研究了加入硅粉对镁铝碳材料常规物理性能、抗氧化性、抗渣性的影响.结果表明,加入硅粉后,材料800℃ 和1000℃ 的烧后抗折强度(MOR)和高温抗折强度(HMOR)提高,但是加入过多硅粉会使材料1000～1600℃ 的烧后显气孔率升高,强度降低.加入适量的硅粉可以改善材料抗氧化性和抗侵蚀性.     

沥青种类和硝酸镍对铝碳材料性能与结构的影响

为了提高低碳铝碳耐火材料的抗热震性,分别选用环保沥青Carbores P、中间相沥青和高温沥青,以硝酸镍为催化剂,研究了沥青种类和催化剂对低碳铝碳材料常温和高温强度、抗热震性能及显微结构的影响,并探讨了沥青种类对催化改性低碳铝碳耐火材料中纤维碳生成的影响。结果表明:加入3种沥青的低碳铝碳试样,在催化剂作用下均生成了一定量的纤维状纳米碳;同时加入沥青和催化剂,更有利于提高铝碳材料的常温和高温强度及抗热震性;与加入高温沥青相比,加入环保沥青Carbores P和中间相沥青的催化改性铝碳材料中形成了较多且长的纤维状纳米碳,使材料的常温和高温抗折强度及抗热震性显著提高。     

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。     

不同添加剂对镁碳质水口材料性能的影响

为了进一步改善浸入式水口用镁碳质耐火材料的抗热震性能,向以电熔镁砂(加入质量分数78%)和鳞片石墨(加入质量分数22%)为主原料,以酚醛树脂为结合剂的镁碳材料中外加6%(w)的添加剂(分别为熔融石英、斜锆石、锆莫来石和Si粉),成型后试样经干燥和950℃保温3 h(氮气保护)热处理后,研究添加剂对浸入式水口用镁碳质材料显气孔率、体积密度、常温抗折强度、高温抗折强度(1 400℃,埋炭)、热膨胀系数(室温至1 400℃)、抗热震性(1 200℃,水冷)和重烧线变化率(1 550℃保温10 h,埋炭)的影响。结果表明:添加熔融石英和Si粉能够在一定程度上改善浸入式水口材料的高温使用性能,抗热震性明显提高,且高温体积稳定性较好;而添加锆质材料(斜锆石或锆莫来石)则不能提高镁碳材料的抗热震性,且高温体积稳定性明显变差。工业试验结果表明:引入熔融石英或Si粉的镁碳质水口能够满足现场工况条件下的钢液热冲击,无开裂穿孔现象。     

Si粉和Al粉对N2保护热处理铝碳材料性能和显微结构的影响

为改善含碳材料埋炭保护热处理时的操作条件,并为提高含碳材料性能开辟新的途径,对添加Si粉或Al粉的铝碳材料在N2气氛中1200℃热处理5 h,测定试样热处理前后的质量变化率、抗折强度、体积密度、显气孔率、抗热震性、热膨胀系数和抗氧化指数,并用扫描电镜和XRD分析试样的显微结构和物相组成.结果发现,采用N2保护热处理工艺同埋炭热处理工艺一样可防止碳氧化,使铝碳材料形成碳结合并具有较好的性能指标.与添加Si粉的试样相比,添加Al粉的试样在热处理后具有较高的高温强度和较低的热膨胀系数;反应生成的Al2OC和AlN有益于材料抗热震性能和强度的提高,并减轻了其在埋炭保护热处理后由于生成Al4C3而产生的严重水化现象.部分Si粉与气氛反应生成纤维状的β-SiC、SixN和粒状的Si2N2O,它们对铝碳材料具有明显的增强作用.     

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。     

膨胀石墨对镁碳耐火材料显微结构和性能的影响

以膨胀石墨为碳源,部分取代镁碳耐火材料(含5wt％的鳞片石墨)中的鳞片石墨,借助X射线衍射仪、场发射扫描电镜、能谱仪以及三点弯曲测试仪等研究了膨胀石墨的添加对热处理后镁碳材料的显微结构、力学性能、抗热震性和抗氧化性的影响.结果表明:镁碳材料中引入0.2wt％的膨胀石墨在高温下可促进材料基体内片状AlN相形成,进而使试样的抗折强度和弯曲模量达到最大,分别为12.35 MPa和2.82 GPa;但是过量的添加将对材料的致密度产生负面影响,从而降低了材料的抗折强度和弯曲模量;膨胀石墨的添加显著提高了镁碳材料的抗热震性但对材料的抗氧化性不利;当膨胀石墨的加入量为0.5wt％时,镁碳材料的综合性能最好,若想加大膨胀石墨的添加量,需对其抗氧化性进行改善.     

加入β-SiAlON对铝碳质材料性能的影响

以白刚玉、熔融石英(≤0.5mm)为骨料,鳞片石墨(≤0.15mm)、白刚玉(≤0.088mm和≤0.045mm)、矾土基β-SiAlON(≤0.088mm)以及添加剂为基质料,酚醛树脂作结合剂,在骨料与基质的质量比为35∶65的基础上,分别用0、7%、14%、21%、28%的矾土基β-SiAlON取代铝碳质材料中的石墨,经等静压成型后,试样于180℃固化24h,并在埋炭条件下于930℃热处理,研究了β-SiAlON加入量对处理后试样常温物理性能、抗氧化性、高温机械性能和抗热震性的影响。结果表明:(1)随着β-SiAlON加入量的增加,试样的显气孔率显著上升,体积密度降低,常温和高温抗折强度下降,抗氧化能力变差;(2)与原铝碳材料相比,加β-SiAlON的试样抗热震性均有所降低,但仍保持了良好的抗热震性,在1100℃热震温差下水冷3次和5次后的强度保持率均在90%和75%以上;(3)从降低C含量的角度考虑,在不显著降低铝碳材料性能的情况下,β-SiAlON加入量以7%左右较为适宜,此时试样仍具有较好的抗氧化性和高温抗折强度。     

自蔓延合成Al4SiC4和B4C及其在含碳耐火材料中的应用

以金属铝粉、硅粉、炭黑或石墨为原料,采用自蔓延化学炉法制备了Al4SiC4粉体,并将其添加到以板状刚玉、电熔刚玉、氧化铝微粉和石墨为主要原料的铝碳材料中,经混合、150 MPa冷等静压成型后于1100℃保温5h氮气保护烧成,研究其对铝碳材料的物理性能、抗氧化性能和抗水化性能的影响;以B203、金属Mg、炭黑和超细石墨为主要原料,采用自蔓延镁热还原法制备了B4C粉体,并将自蔓延产物添加到以电熔镁砂和超细石墨为主要原料的低碳镁碳砖中,经混合、200 MPa干压成型后于1600℃5h埋炭烧成,研究其对镁碳材料的物理性能、抗氧化性能的影响.结果表明:1)以Al、Si、炭黑或石墨为原料可以合成纯度高、不合Al4C3相的Al4SiC4粉体;添加7％ Al4SiC4粉体的铝碳材料具有良好的常温和高温性能,具有良好的抗氧化性和抗水化性能.2)以B2O3、Mg和炭黑为原料可以合成晶粒细小、活性较高的B4C粉体;添加B4C复合粉体的低碳镁碳砖具有良好的常温性能和热态强度,其抗氧化性能优于添加市售B4C和金属Al粉的试样.     

加入不同量Al粉和Si粉的低碳Al2O3-C滑板的高温力学性能

以板状刚玉、α-Al2O3微粉、石墨、Al粉、Si粉为原料,固定板状刚玉、α-Al2O3微粉、石墨的加入质量分数分别为85%、5%、2%,加入8%(w)不同比例的Al粉和Si粉(Al、Si质量比分别为0∶8、5∶3、3∶5和8∶0),以酚醛树脂为结合剂,制备了低碳Al2O3-C滑板,并研究了该滑板材料于1 500℃保温3 h埋石墨热处理后的热态抗折强度、应力-应变关系和抗热震性,同时分析了其物相组成和显微结构。结果表明,此低碳Al2O3-C滑板材料具有较高的高温强度和优良的抗热震性:当Al、Si质量比从0∶8变为8∶0时,材料在1 400℃的高温抗折强度从10.4 MPa增至32.4 MPa;在6.5 MPa载荷下1 400℃时的最大变形量从215μm降至90μm;1 100℃风冷热震3次后的抗折强度保持率从80%降至65%。这是由于Al、Si在使用的高温下与C、CO和N2反应生成了非氧化物Al4C3、AlN和SiC,这些非氧化物填充在刚玉骨架结构中起增强、增韧作用,有利于提高低碳Al2O3-C滑板材料的高温力学性能。