陳海山，盧詠明，崔任渠，樊明宇

（1.瑞泰馬鋼新材料科技有限公司，安徽 馬鞍山243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，安徽 馬鞍山243000）

鋁碳質(zhì)滑板和鋁鋯碳質(zhì)滑板仍是目前鋼鐵企業(yè)使用的主流滑板。氧化鋯原料因具有晶型轉(zhuǎn)變并伴有體積收縮的特性，可以提高材料的韌性和強(qiáng)度，同時氧化鋯具有優(yōu)良的抗侵蝕性能，因此鋁鋯碳質(zhì)滑板相比于鋁碳質(zhì)滑板具有更優(yōu)異的抗侵蝕性能和抗熱震性能[1-2]。但隨著冶煉強(qiáng)度的增大以及潔凈鋼冶煉技術(shù)的進(jìn)步，對鋁鋯碳質(zhì)滑板的要求也更為苛刻。近年來有研究發(fā)現(xiàn)引入納米炭黑、碳納米管、膨脹石墨及其復(fù)合物有望改善低碳鋁碳耐火材料的綜合性能[3-5]。廖寧等[6]研究了添加不同炭黑對鋁碳耐火材料顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加大粒徑的炭黑更有利于改善材料的力學(xué)性能，添加小粒徑的炭黑有利于提高材料的熱震穩(wěn)定性。氧化鋁微粉具有粒度小、分散度高、活性大等特點，引入到鋁鋯碳質(zhì)滑板中可能改善其性能。為此，本文研究了添加不同復(fù)合碳源后鋁鋯碳質(zhì)滑板的性能變化，并進(jìn)一步研究了不同復(fù)合氧化鋁微粉對鋁鋯碳質(zhì)滑板性能的影響。

1 試驗

1.1 原料及試樣制備

試驗原料主要有板狀剛玉（2～1 mm、1～0.5 mm、＜0.5 mm 和20 μm，99 wt%Al2O3）、電熔鋯剛玉（2～1 mm、1～0.5 mm 和0.045 mm，25 wt%ZrO2）、金屬硅粉（0.045 mm，98 wt%Si）和金屬鋁粉（0.045 mm，99 wt%Al）；結(jié)合劑為熱固性酚醛樹脂（液態(tài)，36 wt%C）；碳源為鱗片石墨、炭黑220、炭黑774、膨脹石墨和進(jìn)口瀝青；氧化鋁微粉（A、B、C 和D，99 wt%Al2O3）。設(shè)計了四種復(fù)合碳源的鋁鋯碳質(zhì)滑板配方，碳源總量均為3%，各種碳源的比例均為1∶1∶1（見表1）。

表1 復(fù)合碳源組合

先將原料的細(xì)粉部分用滾筒式混合機(jī)預(yù)混2 h，得到預(yù)混合粉?；炝蠒r先將骨料放入混碾機(jī)中混合3～5 min，緩慢加入酚醛樹脂結(jié)合劑混合3～5 min，最后加入預(yù)混合粉混勻。將混合料密封困料12 h，然后在200 MPa 壓力下壓制成Φ36 mm 的圓柱試樣和25 mm×25 mm×150 mm 條形試樣。試樣經(jīng)200 ℃條件下固化24 h 后，然后在埋碳條件下進(jìn)行1 400 ℃保溫6 h 高溫處理。

1.2 試樣表征和性能檢測

按照Archimedes 排水法測試不同溫度處理后試樣的體積密度和顯氣孔率。按照YB/T 5201-1993檢測試樣常溫耐壓強(qiáng)度。采用XD-117A 型三點彎曲抗折儀（跨距為80 mm，加載速度為0.5 mm/min），利用EDC120 電子控制系統(tǒng)測試試樣的常溫抗折強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度（測試溫度1 400 ℃）。通過X 射線衍射儀（XRD，Philip，X Pert Pro）分析燒后試樣的物相組成；利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Nova 400，Nano SEM）觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu),并結(jié)合能譜儀（EDS，Phoenix EDS Mi croanalysis system）進(jìn)行微區(qū)成分分析。

2 結(jié)果及討論

2.1 復(fù)合碳源對試樣性能的影響

表2 為添加復(fù)合碳源的試樣經(jīng)不同溫度處理后的顯氣孔率和體積密度。相比于1 400 ℃，試樣經(jīng)200 ℃固化后的顯氣孔率均較小，體積密度稍大。這是由于試樣經(jīng)1 400 ℃高溫處理后，結(jié)合劑樹脂在高溫下裂解產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致試樣的顯氣孔率顯著增大，體積密度稍有減小。對比添加不同的復(fù)合碳源試樣可以發(fā)現(xiàn)，含鱗片石墨、炭黑220 和炭黑774 復(fù)合碳源的試樣A1 經(jīng)1 400 ℃處理后的顯氣孔率最小，體積密度最大。

表2 復(fù)合碳源試樣經(jīng)不同溫度處理后的顯氣孔率和體積密度

對比不同復(fù)合碳源試樣的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度（見圖1、圖2）可以發(fā)現(xiàn)，由于高溫處理后試樣的顯氣孔率增大，導(dǎo)致1 400 ℃處理后試樣的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均明顯降低。另外，對比只含鱗片石墨的A0 試樣，復(fù)合添加瀝青粉或膨脹石墨對1 400 ℃處理后試樣的抗折強(qiáng)度有不利影響； 但復(fù)合添加炭黑220 和炭黑774 能提高試樣的強(qiáng)度。三種復(fù)合試樣中，試樣A1 的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最大。

圖1 復(fù)合碳源試樣經(jīng)不同溫度處理后的耐壓強(qiáng)度圖

圖3 為復(fù)合碳源試樣的高溫抗折強(qiáng)度。可以看出，相比于只含鱗片石墨的A0 試樣，添加復(fù)合碳源試樣的高溫抗折強(qiáng)度均有所增大，其中復(fù)合添加炭黑220 和炭黑774 試樣A1 的高溫抗折強(qiáng)度最大，為15.36 MPa。引入小粒徑的炭黑（N220），可填充在骨料顆粒之間，提高試樣的堆積密度； 大粒徑的炭黑（N774）有利于形成長徑比大的碳化硅晶須，從而提高材料力學(xué)性能。引入炭黑復(fù)合碳源后，一方面改善了材料的顆粒級配，提高了材料的致密度；另一方面適量的碳化硅晶須更有助于提高試樣的強(qiáng)度，因此添加復(fù)合炭黑的試樣性能最優(yōu)。

圖2 復(fù)合碳源試樣經(jīng)不同溫度處理后的抗折強(qiáng)度圖

圖3 復(fù)合碳源試樣的高溫抗折強(qiáng)度

2.2 復(fù)合氧化鋁微粉對試樣性能的影響

在復(fù)合碳源的試驗基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了復(fù)合氧化鋁微粉對鋁鋯碳質(zhì)滑板性能的影響。選取不同廠家生產(chǎn)的四種氧化鋁微粉，編號為A、B、C、D。氧化鋁微粉A 粒度小于5 μm，氧化鋁微粉B 粒度小于3 μm，氧化鋁微粉C 粒度小于1 μm，氧化鋁微粉D 粒度小于3 μm。

根據(jù)復(fù)合碳源結(jié)果，鱗片石墨、炭黑220 和炭黑774 復(fù)合的試樣A1 性能最優(yōu)。因此以A1 為單一氧化鋁對比試樣（即B0 試樣），設(shè)計了三組復(fù)合氧化鋁微粉試樣，三種配方的氧化鋁微粉含量相同（見表3）。

表3 復(fù)合氧化鋁微粉組合

復(fù)合氧化鋁微粉試樣的顯氣孔率和體積密度如表4 所示。由于結(jié)合劑裂解產(chǎn)生大量氣體，因此試樣經(jīng)1 400 ℃處理后的顯氣孔率增大，體積密度降低。相比于含單一氧化鋁的B0 試樣，添加復(fù)合氧化鋁微粉的試樣經(jīng)1 400 ℃處理后的顯氣孔率均有所降低，體積密度增大。此外，對比不同的復(fù)合氧化鋁微粉試樣可以發(fā)現(xiàn)，B2 試樣經(jīng)不同溫度處理后的顯氣孔率最低，體積密度最大。

表4 復(fù)合氧化鋁微粉試樣經(jīng)不同溫度處理后的顯氣孔率和體積密度

復(fù)合氧化鋁微粉試樣經(jīng)不同溫度處理后的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別如圖4、圖5 所示。對比B0 試樣，添加復(fù)合氧化鋁微粉后，試樣的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均增大；其中氧化鋁微粉A 和C 復(fù)合的試樣B2強(qiáng)度最優(yōu)，其耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最大。

圖4 復(fù)合氧化鋁微粉試樣經(jīng)不同溫度處理后的耐壓強(qiáng)度圖

圖5 復(fù)合氧化鋁微粉試樣經(jīng)不同溫度處理后的抗折強(qiáng)度圖

圖6 所示為復(fù)合氧化鋁微粉試樣的高溫抗折強(qiáng)度?？梢钥闯觯啾扔贐0 試樣，復(fù)合添加氧化鋁微粉試樣的高溫抗折強(qiáng)度均有所提升，其中B2 試樣的高溫抗折強(qiáng)度最大，為17.87 MPa，說明氧化鋁微粉A和C 復(fù)合最優(yōu)。從以上結(jié)果可知，引入粒度更小的氧化鋁微粉有助于改善試樣的性能。這可能是由于小粒經(jīng)的氧化鋁微粉更有利于填充細(xì)小微孔，提高試樣的致密度，從而改善試樣的強(qiáng)度。

圖6 復(fù)合氧化鋁微粉試樣的高溫抗折強(qiáng)度圖

2.3 物相分析和顯微結(jié)構(gòu)

對性能最優(yōu)的試樣B2 進(jìn)行了物相分析和顯微結(jié)構(gòu)觀察，分別如圖7 和圖8 所示。物相分析表明，高溫處理后，試樣中主要物相有剛玉、單斜氧化鋯、石英、 石墨及少量莫來石相。原料中的Si 和Al 消失，表明高溫處理后，Si 和Al 反應(yīng)生成了其他物相。從圖8 顯微結(jié)構(gòu)可以看出，試樣中有許多晶須狀物質(zhì)生成，EDS 分析證實為SiC 晶須。試樣中大量生成的SiC 晶須是試樣強(qiáng)度改善的原因。

圖7 復(fù)合氧化鋁微粉試樣B2 經(jīng)1 400 ℃處理后的XRD 圖

2.4 使用情況

按照該方案生產(chǎn)的鋼包透氣滑板于2017 年8月份在國內(nèi)某鋼廠試用，原鋁鋯碳質(zhì)滑板使用爐數(shù)只有1～2 爐，采用新方案生產(chǎn)的鋼包透氣滑板使用壽命可穩(wěn)定在3 爐。

3 結(jié)論

通過分別研究復(fù)合碳源和復(fù)合氧化鋁微粉對鋁鋯碳質(zhì)滑板性能的影響，可以得出以下結(jié)論：

圖8 復(fù)合氧化鋁微粉試樣B2 經(jīng)1 400 ℃處理后的SEM 圖

（1）添加復(fù)合碳源對鋁鋯碳質(zhì)滑板的常溫耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響不大，但有利于提高滑板的高溫抗折強(qiáng)度。復(fù)合添加炭黑220 和炭黑774 時，滑板的綜合性能最優(yōu)。

（2）添加復(fù)合氧化鋁微粉不僅能提高鋁鋯碳質(zhì)滑板的常溫強(qiáng)度，而且對滑板的高溫強(qiáng)度也有積極作用。復(fù)合添加氧化鋁微粉A 和C 時，滑板的綜合性能最優(yōu)。