硅粉對(duì)金屬Al結(jié)合鎂鋁碳滑板材料性能的影響

童則明，李 偉，李彥明

(濮陽(yáng)濮耐高溫材料(集團(tuán))股份有限公司，濮陽(yáng) 457100)

0 引 言

隨著鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展，鋼水鈣處理已得到廣泛應(yīng)用。Ca合金處理工藝能脫氧、脫硫、改變夾雜物形態(tài)，防止水口結(jié)瘤，清潔鋼水，提高鋼材質(zhì)量[1]。一般來(lái)說(shuō)，鎂質(zhì)滑板具有良好的抗侵蝕性，被認(rèn)為是適合澆注這些鋼種的理想材料。但是一般的鎂質(zhì)滑板抗熱震性較差，在使用中滑板出現(xiàn)貫穿裂紋，滑道易產(chǎn)生剝落、掉塊，高溫強(qiáng)度低，擴(kuò)徑較大，在鈣處理鋼上的使用效果不是很理想[2]。

鎂碳質(zhì)滑板的抗熱震性優(yōu)于傳統(tǒng)鎂質(zhì)滑板，使用效果較好，但使用范圍仍然受到一定的限制。將Al-Si復(fù)合引入滑板材料中可以得到更優(yōu)的性能[3-6]，本文研究加入硅粉對(duì)金屬Al結(jié)合鎂鋁碳材料性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及配比

試驗(yàn)主要原料有大結(jié)晶鎂砂、燒結(jié)剛玉、氧化鋁微粉、電熔鎂砂粉、金屬Al粉、單質(zhì)硅粉、酚醛樹脂(粘度17 000 cPs)等，其化學(xué)組成見表1。固定骨料與基質(zhì)的質(zhì)量比為65∶35，以燒結(jié)剛玉和電熔鎂砂作為骨料，M0基質(zhì)中有鎂砂、氧化鋁微粉、金屬鋁粉、碳化硼，MS1、MS2、MS3中分別用0.75%、1.50%、2.25%的硅粉代替鎂砂粉，四組配方組成如表2所示。

表1 主要原料化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions of main raw materials /wt%

表2 材料的組成Table 2 Formulations of the specimens /wt%

1.2 試樣制備與檢測(cè)方法

利用輪碾式攪拌機(jī)制料，外加3.5%熱固性酚醛樹脂作結(jié)合劑，泥料制備后在1 000 t摩擦壓磚機(jī)上成型， 200 ℃烘干，然后將磚切成25 mm×25 mm×140 mm的樣條，樣條分別在800 ℃、1 000 ℃、1 200 ℃、1 400 ℃和1 600 ℃下埋炭燒成，保溫時(shí)間為3 h，燒后對(duì)樣條進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)。另外將烘干后的坯體樣條在埋炭氣氛中1 450 ℃下保溫0.5 h，檢測(cè)高溫抗折強(qiáng)度。泥料壓制成直徑50 mm、高度50 mm的圓柱，分別在1 400 ℃和1 600 ℃下空氣氣氛中熱處理3 h，然后測(cè)量脫碳層厚度，進(jìn)行抗氧化性對(duì)比。

采用靜態(tài)坩堝法檢測(cè)材料的抗渣性能，加熱條件為1 600 ℃×3 h，試驗(yàn)使用高堿度渣，渣樣的主要化學(xué)成分見表3。

表3 鋼渣的主要化學(xué)成分Table 3 Main chemical composition of slag /wt%

Note: measured value by X-ray fluorescence spectrometry.

2 結(jié)果與討論

2.1 硅粉摻量對(duì)材料常規(guī)物理性能的影響

圖1和圖2分別為試樣不同溫度處理后的體積密度和顯氣孔率，1 200 ℃以上溫度處理后，基質(zhì)中氧化鎂和氧化鋁微粉等發(fā)生反應(yīng)，生成尖晶石，引起體積膨脹，所以材料的體積密度有所下降。800 ℃熱處理后，隨著Si粉含量的提高，材料的顯氣孔率略有降低，可能是因?yàn)榧尤隨i粉后促進(jìn)了燒結(jié)。1 000～1 600 ℃含Si粉的試樣燒后氣孔率增大可能是因?yàn)楦邷叵耂i粉同CO的反應(yīng)活性增強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)物SiO(g)易揮發(fā)，導(dǎo)致材料的顯氣孔率有所升高[7]，特別是加入2.25%Si粉的MS3試樣，氣孔率升高更為明顯。

圖2 試樣的顯氣孔率Fig.2 Apparent porosity of the specimens

圖1 試樣的體積密度Fig.1 Bulk density of the specimens

圖3為試樣不同溫度處理后的抗折強(qiáng)度，加入Si粉的試樣，使鋁液的粘度和表面張力明顯降低，從而提高了鋁液和材料中氧化物的潤(rùn)濕性，因此促進(jìn)了燒結(jié)和形成金屬結(jié)合[8]，特別是MS3試樣經(jīng)800 ℃燒后抗折強(qiáng)度有較大提高。但是MS3試樣1 200 ℃及以上溫度處理后，顯氣孔率升高，因此其燒后強(qiáng)度低于其他三組試樣。所有試樣1 200 ℃及以上溫度處理后材料的強(qiáng)度均下降，主要是由于生成的原位尖晶石、非氧化物等物質(zhì)引起材料的膨脹造成。

圖3 試樣的燒后抗折強(qiáng)度Fig.3 MOR of the specimens

圖4為試樣的高溫抗折強(qiáng)度曲線，材料的高溫抗折強(qiáng)度隨著Si粉加入量的增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，可能是與Si在基質(zhì)中生成SiC有關(guān)。圖5為MS3試樣1 200～1 600 ℃埋炭熱處理后的XRD譜，SiC以及由金屬Al生成的碳化物、氮化物同時(shí)起到增強(qiáng)作用，因此高溫強(qiáng)度提高[9-11]。

圖4 試樣的高溫抗折強(qiáng)度Fig.4 HMOR of the specimens

圖5 MS3試樣的燒后XRD譜Fig.5 XRD patterns of the specimens MS3 after heating

2.2 硅粉對(duì)抗氧化性的影響

表4是四組試樣經(jīng)1 400 ℃和1 600 ℃空氣中熱處理后的表面脫碳層厚度對(duì)比。加入硅粉的試樣經(jīng)1 400 ℃和1 600 ℃燒后，氧化層厚度均明顯小于未加硅粉的M0試樣，可見硅粉的加入改善了材料的抗氧化性，但是在本試驗(yàn)中材料的抗氧化性改善與硅粉的加入量相關(guān)性不大，加入硅粉的三組試樣氧化脫碳層厚度差異不大。整體上說(shuō)1 400 ℃和1 600 ℃的氧化層厚度差異不大。

表4 試樣的氧化層平均厚度Table 4 Average thickness of the decarbonized layer

分析Si粉的抗氧化機(jī)理[12]，Si在材料中首先發(fā)生反應(yīng)：

Si(s)+C(s)+O2(g)=SiO(g)+CO(g)

(1)

而后，反應(yīng)產(chǎn)生的CO又可使SiO(g)進(jìn)一步氧化成SiO2：

SiO(g)+CO(g)=SiO2(s)+C(s)

(2)

Si和氧氣發(fā)生反應(yīng)后生成的SiO2，保護(hù)碳不被氧化，同時(shí)生成的SiO2與材料中的其他物質(zhì)反應(yīng)可能生成橄欖石，使得材料致密化，抗氧化性改善[13]。還可能產(chǎn)生Al2O3-MgO-SiO2三元系統(tǒng)液相，而且這些液相粘度大，可以阻塞材料中的氣孔，從而起到提高含碳材料抗氧化性的作用[14]。

2.3 硅粉對(duì)抗渣性能的影響

選擇性能較佳的MS2試樣進(jìn)行了抗渣侵蝕實(shí)驗(yàn)，并與M0試樣進(jìn)行了對(duì)比，抗渣實(shí)驗(yàn)后的試樣切面如圖6所示，MS2試樣界面較M0試樣侵蝕深度略小。

圖6 試樣的抗渣侵蝕實(shí)驗(yàn)后的外觀Fig.6 Appearance of specimens after slag corrosion experiment

對(duì)抗渣實(shí)驗(yàn)后兩組材料進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)分析，如圖7所示，M0和MS2試樣抗渣實(shí)驗(yàn)后界面都形成了MgO致密層，其形成過(guò)程為材料內(nèi)部產(chǎn)生的Mg(g)擴(kuò)散到侵蝕界面后，被氧化成MgO，溶解進(jìn)入熔渣，并在熔渣中過(guò)飽和后發(fā)生 MgO再結(jié)晶。MgO致密層阻止了熔渣向材料內(nèi)部的滲透，使材料獲得優(yōu)異的抗侵蝕性能[15]。MS2試樣原磚層結(jié)構(gòu)更為致密，抗渣侵蝕后界面MgO致密層連續(xù)，抗侵蝕性能更優(yōu)。另外硅粉加入后，生成的SiC會(huì)填充氣孔，使得基質(zhì)氣孔孔徑細(xì)化[16]，部分SiO2生成會(huì)有體積膨脹，堵塞氣孔，減少渣的滲透[17]。

圖7 M0和MS2的抗渣侵蝕后界面的顯微結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of M0 and MS2 specimens after slag corrosion experiment

3 結(jié) 論

金屬Al結(jié)合鎂鋁碳材料適合應(yīng)用于鈣處理鋼的澆注，在金屬Al結(jié)合的鎂鋁碳材料中，加入硅粉有助于提高材料800 ℃和1 000 ℃的燒后強(qiáng)度，改善了不燒滑板的中溫強(qiáng)度，還有助于提高高溫抗折強(qiáng)度，也能使抗氧化性和抗侵蝕性得到改善。但是加入過(guò)多的硅粉，會(huì)使材料1 200 ℃及以上溫度處理后的顯氣孔率升高，強(qiáng)度下降。