碳含量對Al2O3—C耐火材料性能的影響

肖長江　李娟　栗正新

摘 要：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樹脂為結合劑并加入烏洛托品作為固化劑，燒結得到了Al2O3-C 耐火材料，并研究了不同含碳量對樣品力學性能的影響。實驗研究表明：當含碳量為10%、15%、20%和25%時，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；樣品的抗折強度分別為7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa；樣品的耐壓強度分別為38.46 MPa、36.92 MPa、33.85 MPa和32.69 MPa。即隨著含碳量增加，材料的力學性能會隨之降低。

關鍵詞：Al2O3-C耐火材料；碳含量；抗折強度；耐壓強度

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，并以樹脂為結合劑，在適當燒結工藝下燒結而成的一類用途廣泛的耐火材料。由于其具有高強度、高耐火度、耐腐蝕性好和抗熱震性強等特點，而被廣泛應用于煉鋼連鑄系統。它分為不燒鋁碳質耐火材料和燒成鋁碳質耐火材料，主要用于連鑄系統中的滑板、長水口及塞棒等，是現代煉鋼系統中不可或缺的一種優質耐火材料制品[1，2]。近年來，隨著連鑄、爐外精煉及潔凈鋼等煉鋼新技術發展，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一步降低，以避免鋼液增碳，影響鋼的質量[3，4]。因此，在保證含碳耐火材料高性能的基礎上，低碳化成為其發展趨勢[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樹脂為結合劑，并加入烏洛托品作為固化劑，同時加入10%、15%、20%、25%的石墨，采用埋碳環境燒結Al2O3-C耐火材料，來研究不同含碳量對樣品力學性能的影響。

2 實驗內容

2.1 實驗原料

本實驗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樹脂作為結合劑，并添加烏托作為樹脂固化劑，同時設計了四種不同含碳量（10%、15%、20%、25%）的原料，來研究不同含碳量對樣品力學性能的影響。其具體的配方如表1 所示。

2.2 實驗步驟

首先，將稱量好的原料在混料機中進行混料，將混合好的原料進行干燥并控制揮發分在1%左右；然后將干燥好的原料裝入模具中進行等靜壓成型制成樣塊；其次，將樣塊再次進行干燥后，在埋碳氣氛下的馬弗爐中進行燒結得到樣品。燒結溫度為900 ℃，保溫時間為3 h。由于需要完成4種不同配方試樣的抗折強度、耐壓強度、體積密度和顯氣孔率的測試，需制備條形試樣（規格為：25 mm×25 mm×125 mm）四塊和方形試樣（規格為：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切割并打磨而成），并取平均值。

2.3 實驗表征

本實驗采用阿基米德排水法測量試樣的致密度；采用三點彎曲法在In–stron5585型材料萬能試驗機測量抗彎強度；在YAW-300D型全自動壓力機測試耐壓強度。

3 結果分析與討論

圖1為試樣密度與含碳量的關系。

從圖1中可以看出，試樣密度隨著碳含量的增加而降低。當碳含量為10%、15%、20%和25%時，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為試樣抗折強度與含碳量的關系。

從圖2中可以看出，試樣抗折強度同樣隨著碳含量的增加而降低。當碳含量為10%、15%、20%和25%時，樣品的抗折強度為7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa。由上述數據，可以做出以下分析，鋁碳耐火材料的常溫抗折強度與其原料中含碳量有很大的關系。這是由于本實驗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行堆積，導致壓制過程中，孔隙的出現使材料的空間架構并不十分穩固，造成抗折強度在石墨含量較高時逐漸變低。從另一方面解釋，鋁碳耐火材料具有高強度的原因，也是由于氧化鋁自身性質的因素，由于碳含量的增高，相應氧化鋁含量會逐漸下降，強度也隨之下降。

圖3為試樣耐壓強度與含碳量的關系。

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

4 結論

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樹脂為結合劑，并加入烏洛托品作為固化劑，燒結得到了Al2O3-C 耐火材料。實驗研究表明：隨著含碳量增加，力學性能會隨之降低。當含碳量為10%、15%、20%和25%時，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；樣品的抗折強度分別為7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa；樣品的耐壓強度分別為38.46 MPa、36.92 MPa、33.85 MPa和32.69 MPa。

參考文獻

[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].包頭鋼鐵學院學報，2000，6：111-114.

[3] 李享成，潘劍波，朱伯銓.石墨含量對Al2O3-C材料物理化學性能的影響[J].硅酸鹽通報，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展[J].耐火材料，2011，45（2）：137-140.

[5] 王志強，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].材料導報，2008，22（9）：139-141.

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