碳含量對Al2O3-C耐火材料性能的影響

肖長江，李娟，栗正新

（河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

碳含量對Al2O3-C耐火材料性能的影響

肖長江，李娟，栗正新

（河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

在剛玉中加入含量為10%、15%、20%和25%的石墨，以Si粉為抗氧化劑，熱固性5405樹脂為結(jié)合劑并加入烏洛托品作為固化劑，燒結(jié)得到了Al2O3-C耐火材料，并研究了不同含碳量對樣品力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)含碳量為10%、15%、20%和25%時(shí)，樣品的密度分別為2.68 g/cm3、2.63 g/cm3、2.59 g/cm3和2.56 g/cm3；樣品的抗折強(qiáng)度分別為7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa；樣品的耐壓強(qiáng)度分別為38.46 MPa、36.92 MPa、33.85 MPa和32.69 MPa。即隨著含碳量增加，材料的力學(xué)性能會隨之降低。

Al2O3-C耐火材料；碳含量；抗折強(qiáng)度；耐壓強(qiáng)度

1 前言

Al2O3-C耐火材料是指以剛玉材料與石墨為主體原料，加入Si粉和Al粉等作為抗氧化劑，并以樹脂為結(jié)合劑，在適當(dāng)燒結(jié)工藝下燒結(jié)而成的一類用途廣泛的耐火材料。由于其具有高強(qiáng)度、高耐火度、耐腐蝕性好和抗熱震性強(qiáng)等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于煉鋼連鑄系統(tǒng)。它分為不燒鋁碳質(zhì)耐火材料和燒成鋁碳質(zhì)耐火材料，主要用于連鑄系統(tǒng)中的滑板、長水口及塞棒等，是現(xiàn)代煉鋼系統(tǒng)中不可或缺的一種優(yōu)質(zhì)耐火材料制品[1,2]。近年來，隨著連鑄、爐外精煉及潔凈鋼等煉鋼新技術(shù)發(fā)展，不僅對耐火材料的使用性能提出了更高的要求，而且還要求耐火材料的含碳量進(jìn)一步降低，以避免鋼液增碳，影響鋼的質(zhì)量[3,4]。因此，在保證含碳耐火材料高性能的基礎(chǔ)上，低碳化成為其發(fā)展趨勢[5,6]。

本文以剛玉為主體原料，以Si粉和SiC粉為抗氧化劑，熱固性5405樹脂為結(jié)合劑，并加入烏洛托品作為固化劑，同時(shí)加入10%、15%、20%、25%的石墨，采用埋碳環(huán)境燒結(jié)Al2O3-C耐火材料，來研究不同含碳量對樣品力學(xué)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)采用剛玉原料和石墨原料為主體原料，加入研磨后的SiC和Si粉作為抗氧化劑，利用5405樹脂作為結(jié)合劑，并添加烏托作為樹脂固化劑，同時(shí)設(shè)計(jì)了四種不同含碳量（10%、15%、20%、25%）的原料，來研究不同含碳量對樣品力學(xué)性能的影響。其具體的配方如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先，將稱量好的原料在混料機(jī)中進(jìn)行混料，將混合好的原料進(jìn)行干燥并控制揮發(fā)分在1%左右；然后將干燥好的原料裝入模具中進(jìn)行等靜壓成型制成樣塊；其次，將樣塊再次進(jìn)行干燥后，在埋碳?xì)夥障碌鸟R弗爐中進(jìn)行燒結(jié)得到樣品。燒結(jié)溫度為900℃，保溫時(shí)間為3 h。由于需要完成4種不同配方試樣的抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、體積密度和顯氣孔率的測試，需制備條形試樣（規(guī)格為：25 mm× 25 mm×125 mm）四塊和方形試樣 (規(guī)格為：25 mm×25 mm×25 mm)四塊（受成型條件所限，方形試樣為條形試樣利用切割機(jī)切割并打磨而成），并取平均值。

2.3 實(shí)驗(yàn)表征

本實(shí)驗(yàn)采用阿基米德排水法測量試樣的致密度；采用三點(diǎn)彎曲法在In–stron5585型材料萬能試驗(yàn)機(jī)測量抗彎強(qiáng)度；在YAW-300D型全自動壓力機(jī)測試耐壓強(qiáng)度。

表1 Al2O3-C耐火材料試樣配方（wt%）

3 結(jié)果分析與討論

圖1為試樣密度與含碳量的關(guān)系。

圖1 試樣密度與含碳量關(guān)系圖

從圖1中可以看出，試樣密度隨著碳含量的增加而降低。當(dāng)碳含量為10%、15%、20%和25%時(shí)，樣品的密度為2.68 g/cm3、2.63 g/cm3、2.59 g/cm3和2.56 g/cm3。造成此結(jié)果的原因主要在于原料中剛玉的密度大于石墨密度[8]。石墨量的不斷升高，導(dǎo)致剛玉量不斷降低，致使密度成下降趨勢。

圖2為試樣抗折強(qiáng)度與含碳量的關(guān)系。

從圖2中可以看出，試樣抗折強(qiáng)度同樣隨著碳含量的增加而降低。當(dāng)碳含量為10%、15%、20%和25%時(shí)，樣品的抗折強(qiáng)度為 7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa。由上述數(shù)據(jù)，可以做出以下分析，鋁碳耐火材料的常溫抗折強(qiáng)度與其原料中含碳量有很大的關(guān)系。這是由于本實(shí)驗(yàn)所選用的石墨為鱗片石墨 （石墨-895和石墨-195），在混料，壓制和燒成過程中，石墨與剛玉材料之間的堆積無法按照層狀堆積的方式進(jìn)行堆積，導(dǎo)致壓制過程中，孔隙的出現(xiàn)使材料的空間架構(gòu)并不十分穩(wěn)固，造成抗折強(qiáng)度在石墨含量較高時(shí)逐漸變低。從另一方面解釋，鋁碳耐火材料具有高強(qiáng)度的原因，也是由于氧化鋁自身性質(zhì)的因素，由于碳含量的增高，相應(yīng)氧化鋁含量會逐漸下降，強(qiáng)度也隨之下降。

圖2 試樣抗折強(qiáng)度與含碳量關(guān)系圖

圖3為試樣耐壓強(qiáng)度與含碳量的關(guān)系。

圖3 試樣耐壓強(qiáng)度與含碳量關(guān)系圖

從圖3中可以看出，試樣耐壓強(qiáng)度同樣隨著碳含量的增加而降低。當(dāng)碳含量為10%、15%、20%和25%時(shí)，樣品的耐壓強(qiáng)度分別為38.46 MPa、36.92 MPa、33.85 MPa和32.69 MPa。這與其抗折強(qiáng)度降低的原因大致相同。

4 結(jié)論

用埋碳的方法，在剛玉中加入含量為10%、15%、20%和25%的石墨，以Si粉為抗氧化劑，熱固性5405樹脂為結(jié)合劑，并加入烏洛托品作為固化劑，燒結(jié)得到了Al2O3-C耐火材料。實(shí)驗(yàn)研究表明：隨著含碳量增加，力學(xué)性能會隨之降低。當(dāng)含碳量為10%、15%、20%和25%時(shí)，樣品的密度分別為2.68 g/cm3、2.63 g/cm3、2.59 g/cm3和2.56 g/ cm3；樣品的抗折強(qiáng)度分別為7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa；樣品的耐壓強(qiáng)度分別為38.46 MPa、36.92 MPa、33.85 MPa和32.69 MPa。

[1]Khanna R,Spink J,Sahajwalla V.Role of ash impurities in the depletion of carbon from alumina-graphite mixtures into liquid iron[J].ISIJ International,2007,47(2):282-288.

[2]宋希文,章軍,郭貴寶,等.Al2O3-C耐火材料的性能研究[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，6：111-114.

[3]李享成,潘劍波,朱伯銓.石墨含量對Al2O3-C材料物理化學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2010,29(2)：395-398.

[4]劉廣華,姚金甫,田守信.Al2O3-C耐火材料抗氧化性研究進(jìn)展[J].耐火材料,2011,45(2)：137-140.

[5]王志強(qiáng)，朱伯銓，方斌祥,等.不同粒度的鱗片石墨對低碳鎂碳耐火材料性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,22(9)：139-141.

[6]Christos G A，Roungos V，Steffen D，M Emmel，具有優(yōu)良抗熱震性的可服務(wù)于低碳經(jīng)濟(jì)的耐火材料[J].耐火材料,2013,47(4)：250-253.