添加碳化硼对低碳铝碳耐火材料显微结构和性能的影响

以板状刚玉和活性氧化铝微粉为主要原料、纳米炭黑为碳源、碳化硼(质量分数0、0.5%、1%)和单质硅粉为添加剂,制备了低碳铝碳耐火材料。利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜分别检测和观察了材料的物相组成和显微结构。采用三点弯曲法研究了材料的常温和高温力学性能,采用水淬冷法研究了材料的热震稳定性。结果表明:与空白试样相比,在1 000℃处理的含碳化硼的试样中发现碳纳米管(MWCNTs);温度高于1 200℃,在材料表面出现了明显的含氧化硼反应层,形成了外层Si C晶须较多、内层Si C晶须较少的分层结构。由于原位碳纳米管的形成,1 000℃处理后含碳化硼试样的抗折强度由空白试样的3.4 MPa提高到11.6 MPa;而1 200和1 400℃处理后,试样也因碳纳米管和Si C晶须协同作用,材料的抗折强度进一步提高至15~17和26~28 MPa。此外,引入碳化硼的铝碳材料高温抗折强度和热震稳定性也都大幅提升。     

添加硅和硅微粉氧化铝–碳纳米管耐火材料的制备与性能EI北大核心CSCD

研究了铝碳耐火材料中多壁碳纳米管(MWCNTs)在添加硅和硅微粉条件下的结构演变以及添加单质硅、硅和硅微粉对材料性能的影响。结果表明:高温下材料内单质硅与二氧化硅反应,导致大量的SiO(g)形成,加快了800℃以上MWCNTs的结构演变进程,促进MWCNTs蚀变为SiC晶须。正是由于SiC晶须形成,添加硅和硅微粉铝碳耐火材料经1 400℃处理后的抗折强度达到22.56 MPa,而单独添加单质硅的试样仅为19.24 MPa。然而,对于材料的抗热震性来说,未添加硅微粉的试样热震后强度保持率为43.51%,明显高于硅微粉试样的28.65%,这主要是由MWCNTs有助于提高材料的韧性,而Si C晶须主要起到增强的作用。     

添加硅和硅微粉氧化铝–碳纳米管耐火材料的制备与性能

研究了铝碳耐火材料中多壁碳纳米管(MWCNTs)在添加硅和硅微粉条件下的结构演变以及添加单质硅、硅和硅微粉对材料性能的影响。结果表明:高温下材料内单质硅与二氧化硅反应,导致大量的SiO(g)形成,加快了800℃以上MWCNTs的结构演变进程,促进MWCNTs蚀变为SiC晶须。正是由于SiC晶须形成,添加硅和硅微粉铝碳耐火材料经1 400℃处理后的抗折强度达到22.56 MPa,而单独添加单质硅的试样仅为19.24 MPa。然而,对于材料的抗热震性来说,未添加硅微粉的试样热震后强度保持率为43.51%,明显高于硅微粉试样的28.65%,这主要是由MWCNTs有助于提高材料的韧性,而Si C晶须主要起到增强的作用。     

高温下铝碳耐火材料中多壁碳纳米管的结构演变

利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及透射电子显微镜,研究了高温下以多壁碳纳米管为碳源、单质硅粉为添加剂的铝碳耐火材料中多壁碳纳米管的结构演变。结果表明:800℃时氧化导致部分碳纳米管管径减小;1 000℃处理后碳纳米管表面缺陷处形成碳化硅层,部分碳纳米管蚀变为碳化硅晶须;1 200及1 400℃处理后碳纳米管蚀变加剧,促进大量碳化硅晶须的生成。高温下铝碳材料中碳纳米管蚀变后主要以弯曲状Si C晶须存在,同时还观察到大量直杆状Si C晶须,其主要通过Si O与CO气相反应生长。     

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。     

添加剂对尖晶石碳质材料性能的影响

为提高尖晶石碳质材料的抗热震性和抗冲刷性,以尖晶石、石墨和不同种类添加剂(铝-硅合金、硅粉、B4C、Si C)为原料,热塑性酚醛树脂为结合剂,在氮气保护下经950℃热处理后,制备了石墨含量为8%(w)的尖晶石碳质材料,探究了添加剂对尖晶石碳材料力学性能、抗热震性和抗氧化性的影响。结果表明:1)铝-硅合金或B4C能明显提高尖晶石碳材料的常温抗折强度,但会降低材料的抗热震性,B4C对材料的抗热震性最不利,硅粉和Si C对常温抗折强度影响不大,但能显著提高抗热震性;2)铝-硅合金或硅粉能显著提高材料的高温抗折强度,B4C或Si C对高温强度影响不大。3)经950℃热处理后,B4C对提高材料的抗氧化性作用不明显,单独加入硅粉、铝-硅合金和B4C复合添加均能提高抗氧化性能。     

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。     

Al粉、Si粉对低碳Al2O3-C滑板显微结构和高温力学性能的影响

为了改善低碳Al2O3-C滑板的高温力学性能,在质量分数65%的电熔白刚玉颗粒、25%的白刚玉细粉、6%活性α-Al2O3粉、4%的石墨+炭黑、外加4%酚醛树脂的滑板配料中,分别以3%(w)的Al粉或Si粉或3%(w)Al粉+3%(w)Si粉等量替代白刚玉细粉,混匀后在150 MPa下压制成140 mm×25 mm×25 mm的试样,经200℃24 h干燥,1 400℃埋焦炭处理3 h后,检测其高温抗折强度和抗热震性,并分析物相组成及显微结构。结果表明:单加Al粉的试样高温抗折强度高于单加Si粉的,但前者热震后残余抗折强度比后者低;与单加Al粉或Si粉的试样相比,同时加Al粉和Si粉的试样具有更高的高温抗折强度和更优的抗热震性。力学性能的变化与试样中原位生成的非氧化物相密切相关:在单加Al粉或Si粉的试样中分别有棒状AlN晶须或纤维状SiC晶须生成;而同时加Al粉和Si粉的试样中除了有AlN晶须和SiC晶须生成外,还原位生成了六角板状的SiAlON相,并相互交织在一起。     

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。     

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。     

铝碳滑板的高温力学性能研究

采用高温弯曲应力-应变试验方法和水冷法研究了3种含碳滑板(2种铝碳质,1种铝锆碳质)在不同温度下的应力-应变关系、抗折强度以及不同热震温差下的抗热震性能。结果表明1)含碳滑板材料在室温~1400℃的应力-应变关系分为弹性变形和塑性变形两个阶段在弹性变形的温度段,其断裂方式是典型的脆性断裂;在塑性变形的温度段,其断裂方式呈现韧性断裂特征;2)随着温度的升高,含碳滑板材料的热态抗折强度首先略有增大,到达转折温度(800℃)后开始减小,1400℃时试样的热态抗折强度约为13MPa;3)在ΔT=1200℃(水冷)条件下,铝碳滑板热震后的抗折强度保持率为43%,引入ZrO2可以改善其抗热震性,而用特级高铝矾土熟料部分替代刚玉会降低其抗热震性。     

热处理制度对滑板用铝碳材料性能和结构的影响

按板状刚玉(2.361～0.043mm)91.5%,Al粉(<0.044mm)5%,B4C和炭黑(<0.044mm)3.5%,外加4.5%的热塑性酚醛树脂作为结合剂,制成铝碳材料,分别在氮气气氛和埋炭气氛中经800℃、1000℃、1200℃、1450℃保温5h热处理后,测定试样的常温性能、高温抗折强度(1400℃)和抗水化性能,并用XRD和SEM分析试样的物相组成和显微结构。试验结果表明:随热处理温度的升高,铝碳材料的高温抗折强度逐渐下降;在相同温度条件下,这两种保护气氛处理后试样的高温抗折强度水平相当;在800～1000℃的温度段处理时,埋炭保护处理材料的水化程度大,损伤材料结构,明显降低材料的强度。在相同温度条件下,氮气保护处理试样的抗水化性能优于埋炭保护处理试样。     

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.     

Al-Si复合Al_2O_3-β-SiAlON-C材料加热过程中性能、相组成和显微结构的变化

以电熔白刚玉(≤0.5、≤0.088和≤0.045 mm)、熔融石英(≤0.5 mm)、鳞片石墨(≤0.15 mm)、矾土基β-SiAlON(≤0.088 mm)、Al粉(≤0.074 mm)和Si粉(≤0.074 mm)为主要原料,以热固性酚醛树脂为结合剂,制成25 mm×25 mm×125 mm的Al-Si复合Al2O3-β-SiAlON-C试样,经200℃固化24 h后,分别在800、1 000、1 200、1 400和1 600℃下埋炭(石墨)保温3 h,冷却后测定其体积密度、显气孔率、常温耐压强度、常温抗折强度、高温抗折强度和抗热震性,并进行XRD和SEM分析.结果表明:1)随着热处理温度的升高,Al-Si复合Al2O3-β-siAlON-C试样的显气孔率均下降,体积密度、常温耐压强度、常温抗折强度、高温抗折强度、热震后残余抗折强度均逐渐提高,但其抗折强度保持率在经1 000℃热处理后最高,随后逐渐降低;2)在高温还原气氛的热处理过程中,试样中的Al、Si与C(CO)或N2反应,原位生成了AlN、β-SiC、Al4C3和β-SiAlON等非氧化物,对试样具有填充气孔及增强增韧的作用.     

炭黑种类对低碳铝碳材料显微结构和力学性能的影响

以板状刚玉和活性氧化铝微粉为主要原料、4种不同种类的炭黑(N220,N330,N774,N990)为碳源、单质硅粉为添加剂,在埋焦炭条件下经800、1 000、1 200和1 400℃处理制备出低碳Al2O3-C耐火材料。利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜,分别测定了材料的物相组成,观察了材料的显微结构,并借助于压汞仪检测了试样的孔径分布。采用三点弯曲法研究了材料的力学性能和断裂行为,采用水淬冷法研究了材料的抗热震性。结果表明:炭黑种类影响材料的显微结构与力学性能。试样内添加大粒径的炭黑时更有利于形成长径比大的碳化硅晶须,从而提高材料的力学性能。添加大粒径炭黑N990的试样经1 400℃处理后,其抗折强度较添加小粒径炭黑N220试样的抗折强度高出56%;小粒径炭黑有利于提高材料热震稳定性,其中,N330试样热震后的抗折强度保持率可达到62.99%,而N990试样的仅为37.4%。铝碳材料试样内碳化硅相呈粒状与晶须状,前者具有核壳结构,为炭黑颗粒与含硅物质反应形成,后者主要通过气相反应成核--生长机制形成。     

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。     

添加Si粉对超低水泥结合高铝浇注料性能的影响

以高铝矾土为主要原料,在超低水泥结合的高铝浇注料中加入3％ ～9％(w)的Si粉,振动浇注成型试样,经烘干后,分别在空气和氮气气氛下于1450℃热处理,研究了Si粉加入量对试样性能,尤其是1300C0.5h(埋炭)高温抗折强度和荷重软化温度的影响.结果表明,在两种气氛下处理后,由Si粉反应生成的氧化物和非氧化物相均可显著提高试样的高温抗折强度和荷重软化温度,尤以氮气气氛下处理的显著,Si粉加入量为7％(w)时,氮化处理后试样的高温抗折强度可达23 MPa,是未加Si粉试样的3倍.SEM和EDAX分析表明,氮气气氛热处理后,引入的Si粉反应生成了纤维状Si3N4等非氧化物增强相,是材料高温性能得到显著提高的主要原因.综合考虑各项性能,Si粉的最佳加入量为5％ ～7％(w).     

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。     

Al粉加入量对树脂结合MgO-CaO材料性能的影响

以烧结镁钙砂、电熔镁砂和铝粉为原料,热塑性无水树脂为结合剂,混练后在180 MPa压力下成型,经200℃12 h烘烤后,制备了树脂结合MgO-CaO材料试样,并研究了Al粉加入量(质量分数分别为0、2%、4%、6%)对试样的常温物理性能、高温抗折强度和抗热震性的影响及其与物相组成和显微结构的关系。结果表明:加入Al粉后,试样的高温抗折强度(1400℃)显著提高,从未加Al粉时的5.6 MPa提高到17.7~31.6 MPa;抗热震性保持较好的水平,1100℃风冷3次后的抗折强度保持率为66%~88%。这类材料具有良好高温力学性能的原因为:试样中Al粉在埋焦炭加热过程中与C和N2反应,原位生成的AlN和Al4C3填充、穿插在方镁石或方钙石结构中,起到增强、增韧的作用,提高了材料的高温力学性能。     

煅烧气氛对Al2O3-Si材料组成、结构和性能的影响

以电熔白刚玉、α-Al2O3微粉和Si粉为主要原料,以酚醛树脂为结合剂,制备Al2O3-Si复合材料试样.研究了煅烧气氛对1 500℃烧后试样性能、组成和显微结构的影响.结果表明:1)在氧化气氛和弱氧化气氛中煅烧后,试样表面生成含莫来石的玻璃膜,保护了试样内部的单质Si;由于单质Si的液相助烧结作用,试样的致密度和常温强度较高,但其高温抗折强度和抗热震性较低.2)在弱还原气氛和还原气氛中煅烧后,试样中的单质Si完全与Al2O3和通过气孔进入的CO、N2反应,生成晶须状SiC、粒状Si2N2O(或絮状O'-SiAlON),试样的致密度和常温强度减小,高温强度和抗热震性提高.3)在氮气气氛中煅烧后,Si完全反应生成短柱状β-SiAlON 和晶须状SiC,试样的高温强度和抗热震性明显提高.