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        四種不同氧化鋁微粉對Al2O3-C材料性能的影響

        2021-12-17 06:11:42沈明科胡承洋宋雅楠倪飛江
        耐火材料 2021年6期

        沈明科 羅 明 胡承洋 喻 燕 宋雅楠 倪飛江 李 金

        1)浙江自立高溫科技股份有限公司 浙江紹興 312300

        2)浙江自立新材料股份有限公司 浙江紹興 312300

        鋼包滑板的工作環(huán)境非常惡劣,Al2O3-C材料因具有優(yōu)異的高溫強度、抗渣侵蝕性和良好的抗熱震性而被廣泛使用[1-5]。但隨著鋼鐵生產技術的不斷發(fā)展,對Al2O3-C材料的性能提出了更高的要求[5-8]。

        為了進一步提高鋼包滑板用Al2O3-C材料的強度和抗熱震性能,研究了四種不同種類的氧化鋁微粉對Al2O3-C材料性能的影響。

        1 試驗

        1.1 原料

        板狀剛玉顆粒(2.0~1.0、1.0~0.5和≤0.5 mm)和細粉(≤0.15和≤0.044 mm),w(Al2O3)=99.51%;單峰活性氧化鋁微粉07RAL,單峰活性氧化鋁微粉15RA,雙峰活性氧化鋁微粉22RABL,煅燒氧化鋁微粉40CA,其主要理化性能見表1;粒度≤0.044 mm的Al粉,w(Al)>97.00%;粒度≤0.044 mm的Si粉,w(Si)>97.00%;鱗片石墨,w(C)>97.00%,粒度≤0.044 mm;液態(tài)酚醛樹脂,w(游離酚)=9%~12%,黏度13 000~15 000 Pa·s(25℃),固含量73%~83%(w)。

        1.2 試樣制備

        按表2的試驗配方配料。按照顆粒料→酚醛樹脂→鱗片石墨→細粉的順序將原料加入濕碾機中,混練40~50 min后,用500 kN摩擦壓力機壓制成230 mm×114 mm×65 mm的試樣,在隧道窯中于180℃保溫10 h固化,然后切割制成φ50 mm×50 mm、50 mm×50 mm×50 mm和25 mm×25 mm×125 mm的檢測試樣,于110℃干燥24 h。部分干燥后試樣再分別在1 000、1 200和1 400℃埋碳熱處理3 h,同時檢測埋碳熱處理后試樣的質量變化率。

        1.3 性能檢測

        分別按GB/T 2997—2015和GB/T 5072—2008檢測不同溫度埋碳熱處理后試樣的顯氣孔率、常溫耐壓強度,按GB/T 3002—2017檢測干燥后試樣在埋碳氣氛中于1 400℃保溫0.5 h的高溫抗折強度。取1 400℃埋碳熱處理后試樣,在1 100℃、水冷條件下熱震1次,檢測熱震前后試樣的常溫抗折強度,以抗折強度保持率(熱震1次后試樣的常溫抗折強度÷熱震前試樣的常溫抗折強度×100%)表征試樣的抗熱震性。

        2 結果與分析

        2.1 質量變化率

        不同溫度埋碳熱處理后試樣的質量變化率見圖1。可以看出:1 000℃埋碳熱處理后,試樣的質量均略有減?。? 200℃埋碳熱處理后,試樣的質量均略有增大;1 400℃埋碳熱處理后,試樣的質量增大率均約為0.5%。分析分為:1 000℃埋碳熱處理后試樣質量減小應為酚醛樹脂裂解揮發(fā)導致;1 200℃埋碳熱處理后試樣中生成了碳化鋁和氮化鋁,1 400℃埋碳熱處理后試樣中生成了碳化硅(見圖2),導致試樣質量增大[9]。

        圖1 不同溫度埋碳熱處理后試樣的質量變化率Fig.1 Mass change of specimens carbon-embedded treatment at different temperatures

        圖2 不同溫度埋碳熱處理后試樣的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of specimens carbon-embedded treatment at different temperatures

        2.2 顯氣孔率和常溫耐壓強度

        不同溫度埋碳熱處理后試樣的顯氣孔率見圖3??梢钥闯觯郝裉紵崽幚頊囟认嗤瑫r,4組試樣的顯氣孔率由小到大的排序均為A、C、B、D。燒后試樣的顯氣孔率反映的是其燒后致密度,而試樣的燒后致密度與試樣的成型致密度和燒結程度相關。在4組試樣中,試樣A中的單峰活性氧化鋁微粉07RAL粒度最小,比表面積最大,填充性和燒結活性均最好,因此試樣DF07的燒后致密度最大。試樣C中的雙峰活性氧化鋁粉22RABL雖然粒度比試樣B中的單峰活性氧化鋁粉15RA的大,比表面積試樣B中的單峰活性氧化鋁粉15RA的小,但其粒度的雙峰分布較大地提高了其填充性,最終導致試樣C的燒后致密度小于試樣A的而大于試樣B的。試樣D中的煅燒氧化鋁微粉40CA的粒度最大,比表面積最小,填充性和燒結活性均最小,因此試樣D的燒后致密度最小。

        圖3 埋碳熱處理后試樣的顯氣孔率Fig.3 Apparent porosity of specimens carbon-embedded treatment at different temperatures

        從圖3還可以看出:隨著埋碳熱處理溫度的升高,試樣B和D的顯氣孔率呈減小趨勢;試樣C的顯氣孔率呈先減小后增大的變化趨勢,1 200℃埋碳熱處理后的最?。辉嚇覣的顯氣孔率呈增大趨勢。

        不同溫度埋碳熱處理后試樣的常溫耐壓強度見圖4??梢钥闯觯郝裉紵崽幚頊囟认嗤瑫r,試樣常溫耐壓強度由大到小的排序均為A、C、B、D,與顯氣孔率的排序相反。這是因為,在物相組成大致相同時,試樣的強度與其致密度呈正相關。隨著埋碳熱處理溫度的升高,試樣的常溫耐壓強度均呈升高趨勢,這應該是致密度變化和物相組成變化(比如氮化鋁、碳化鋁、碳化硅等非氧化物增多)共同作用的結果。

        圖4 埋碳熱處理后試樣的常溫耐壓強度Fig.4 Cold crushing strength of specimens carbon-embedded treatment at different temperatures

        2.3 抗熱震性和高溫抗折強度

        1 400 ℃埋碳熱處理后試樣在1 100℃、水冷條件下熱震1次后的抗折強度保持率見圖5??梢钥闯觯簾嵴?次后試樣的抗折強度保持率由大到小的排序均為A、C、B、D,與常溫耐壓強度的大小順序相同。這可能是因為,材料固有強度越高,承受熱應力破壞的能力越大,抗熱震性越好。

        圖5 1 400℃埋碳熱處理后試樣在1 100℃、水冷條件下熱震1次后的抗折強度保持率Fig.5 Retention ratio of modulus of rupture after one thermal shock(1 100 ℃,water quenching)of specimens carbon-embedded treatment at 1 400℃

        干燥后試樣在埋碳氣氛下于1 400℃保溫0.5 h的高溫抗折強度見圖6。由圖6可以看出:試樣高溫抗折強度由大到小的排序為C、B、A、D。這是由于活性氧化鋁微粉與煅粉氧化鋁相比,具有更高的表面能,且粒度細,可有效地填充微小孔隙,提高接觸質點,促進燒結,有利于提高試樣的高溫抗折強度,而雙峰粒度分布的活性氧化鋁微粉則能更有效地填充、改善微孔結構,進而獲得優(yōu)異的高溫抗折強度。

        圖6 干燥后試樣在埋碳氣氛下于1 400℃保溫0.5 h的高溫抗折強度Fig.6 Modulus of rupture at 1 400℃for 0.5 h in carbonembedded atmosphere of dried specimens

        2.4 顯微形貌

        1 400 ℃埋碳熱處理后試樣斷口的SEM照片見圖7??梢钥闯觯涸嚇覣、C中都可見較多晶須狀物質,試樣B中的晶須狀物質較少,試樣D中的晶須狀物質最少。

        圖7 1 400℃埋碳處理后試樣斷口的SEM照片Fig.7 SEM photos of cross sections of specimens carbon-embedded treatement at 1 400℃

        2.5 應用效果

        綜上所述,試樣C的綜合性能最佳。

        按試樣C的配方生產的高溫燒成鋁鋯碳滑板產品,已成功應用于國內多家大型鋼廠鋼包上,效果良好。例如,在國內A鋼廠250 t鋼包(主要冶煉鋼種有硅鋼、汽車板、鍍錫板等)上使用,其平均使用壽命由原來的3.1次提升至3.6次;在國內B鋼廠300 t鋼包(主要冶煉鋼種有管線鋼、汽車板、家電板、船板鋼等)上使用,其平均使用壽命由原來的2.8次提升至3.3次。此外,滑板使用過程中鑄孔擴孔、板面氧化拉毛、開裂等問題也得到明顯改善。

        3 結語

        在Al2O3-C材料中引入活性氧化鋁微粉,可提高材料的致密度、強度和抗熱震性能。其中,引入雙峰活性氧化鋁微粉的試樣的綜合性能最佳,尤其是高溫抗折強度最高。在鋼廠的實際使用結果表明,引入雙峰活性氧化鋁微粉生產的Al2O3-C滑板,其平均使用壽命提高,鑄孔擴孔、板面氧化拉毛、開裂等問題也得到明顯改善。

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