石墨含量對含有納米碳的鋁碳連鑄耐火材料性能的影響

【摘? 要】論文對耐火材料性能展開了分析，并通過實驗對石墨含量對納米碳的鋁碳連鑄耐火材料使用性能的影響做出了總結(jié)，進一步說明了當(dāng)前階段耐火材料性能方面呈現(xiàn)出的情況，希望能夠?qū)υ擃I(lǐng)域的生產(chǎn)、研究提供一定的借鑒意義。

【Abstract】In this paper， the properties of refractories are analyzed， and the influence of graphite content on the performance of alumina carbon continuous casting refractories with nano carbon is summarized through experiments， and the performance of refractories at the present stage is further illustrated. It is hoped that this can provide some reference for the production and research in this field.

【關(guān)鍵詞】石墨;氧化鋁;顯微結(jié)構(gòu);納米碳

【Keywords】graphite; alumina; microstructure; nanocarbon

【中圖分類號】TQ175.12;TF341.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）08-0174-02

1 引言

在連鑄過程中，選用的耐火元件自身功能在進行碳化作用之后會存有占比30%左右的殘?zhí)即媪?。碳存留的主要缺陷為非常易氧化。針對上述?nèi)容，需要適度降低碳含量，但是，如果減少了碳元素在耐火材料中的占比，那么耐火材料自身的熱導(dǎo)率也會隨之下降，對其使用壽命造成不利影響。所以，針對不同碳源混合物來控制并降低實際碳含量，同時不損害其使用性能才是最終的追求目標(biāo)。

2 實驗過程

試驗選用原料：粒徑為3～2 mm.1 ～0.5 mm.0. 3～0.05 mm以及<45 μm、白色板狀剛玉（WTA）、納米碳N220、鱗片石墨、酚醛樹脂結(jié)合劑、A1、Si金屬粉、抗氧化劑為碳化硼，選用材料的性能表如表1所示：

對石墨含量做出改變，然后再固定納米碳實際含量，并將其制備成為各種不同類型的組成試樣，具體情況見表2.

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)內(nèi)容在攪拌機中進行干混攪拌。在進行混合的過程中需要根據(jù)一定的順序添加材料：先把粗壯板狀剛玉和納米碳進行混合;在此之后將樹脂粉材料、抗氧化材料、板狀剛玉細粉材料、板狀剛玉中顆粒材料石墨材料以及液體樹脂依次加入到設(shè)備中進行混合攪拌，是各種材料充分攪拌之后可以獲取一定的稠度。然后再將已經(jīng)混合好的材料進行困料，時間控制在3小時左右，利用液壓機造成的壓力將混合材料壓制成試樣。先將試樣在220攝氏度下預(yù)處理3小時，然后再將不同溫度（即1000攝氏度、1200攝氏度、1400攝氏度以及1600攝氏度）下進行處理作業(yè)，并為其保溫3小時左右。分別對試驗的體積密度、強度及抗氧化性進行檢測，并選擇X射線衍射儀將經(jīng)過熱處理之后的試樣做出相分析，然后使用過Ni濾波，Cu（Kα）靶輻射。使用場在完成發(fā)射動作之后用電子顯微鏡記性掃描處理，利用EDX分析儀對試樣進行研究，并對碳化之后的式樣結(jié)構(gòu)變化做出總結(jié)[1]。

3 結(jié)果與討論

實驗選用的原料含有的雜質(zhì)比較少，并且其理化性能和表1所示。對石墨含量做出改變25%、10%、7%、5%和3%，對不同的鋁碳耐火材料展開研究活動，除去25%石墨含有量的式樣之外，其余全部的試樣都增添1%占比的納米碳粉，詳情見表2。最終的研究結(jié)果和對應(yīng)的討論內(nèi)容中包含試樣自身的物理性能、抗氧化性、機械性能、顯微結(jié)構(gòu)和物相組成。

3.1 致密度

選用的試樣體積密度會伴隨著石墨含有量逐漸減少而不斷變大，造成這種情況的主要原因是氧化鋁占比增加的同時石墨含量減少，使用高密度材料對低密度材料進行替換，所以試樣自身的體積密度會不斷的隨著石墨含量占比的減小而上升。

3.2 強度

在實驗過程中使用液壓壓力機進行檢測，試樣在常溫狀態(tài)下具有的耐壓強度會隨著石墨的占比增加而不斷減小，石墨含量較高時會使其他的耐火材料進行直接結(jié)合。全部的含納米碳試樣強度均會伴隨著自身的處理溫度上升而不斷加大，是因為試樣具有高表面能的納米碳會在溫度比較低的情況下做出反應(yīng)，且納米碳自身的粒徑比較小，在縫隙中非常容易發(fā)生擴散現(xiàn)象，這就會堵塞一部分氣孔，使其強度和密度再次上升。但當(dāng)溫度達到1000攝氏度之后才會接著變小，這種情況產(chǎn)生的主要原因是碳化鋁在其形成之后會分解成為碳和氧化鋁。

3.3 相分析

根據(jù)含有1%納米碳和含有3%%石墨的試樣與25%石墨的實驗試樣在面對不同溫度的熱處理工序之后的物相分析結(jié)果，含有3%石墨試樣結(jié)構(gòu)中的元素主要為石墨和氧化鋁，少量的硼酸鋁和碳化鋁，當(dāng)溫度保持在1000攝氏度和1200攝氏度之間時會產(chǎn)生碳化鋁。在這種情況下形成的碳化鋁和試樣中固有的納米碳有之間關(guān)系。氧化鋁細粉和納米碳進行反應(yīng)，最終形成碳化鋁。因為其具有高表面積，并且納米碳自身的活性較高，可以有效的促進低溫環(huán)境中的反應(yīng)。試樣中構(gòu)成的碳化物可以使其強度得到進一步的發(fā)展，但是當(dāng)溫度再一次升高至1400攝氏度與1600攝氏度之間時，碳化物相又會再度消失，分解成為碳和氧化鋁。碳化鋁的分解作用會使1400攝氏度到1600攝氏度的式樣強度和密度再度減小[2]。

25%石墨試樣僅僅包含石墨和氧化鋁，并且沒有發(fā)現(xiàn)硼酸鋁和碳化鋁。實驗中的氧化鋁細粉需要在實驗試樣中保持較低標(biāo)準，同時不添加納米碳，所以這樣的環(huán)境下難以形成硼酸鋁和碳化鋁。因為石墨的含有量比較高，這就會使其他成分的結(jié)合有所降低，這就會對其強度的發(fā)展造成非常不利的影響。和其他類型的試樣相對比，25%石墨試樣具有的強度值相對較低。

3.4 抗氧化性

將3%石墨+1%納米碳和25%石墨試樣具有的抗氧化性做出對比，熱處理環(huán)境的溫度分別控制在1000攝氏度、1200攝氏度、1400攝氏度以及1600攝氏度之間，保溫時長為3小時，最終的實驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

與此同時在對實驗選取的外殼密度進行測量，明確外殼密度。含有25%石墨的實驗試樣具有的密度值非常低，并且其結(jié)構(gòu)也會比較疏松，這代表其自身的氣孔高，主要原因為石墨氧化量較高，試樣的氧化層既薄且脆，當(dāng)試樣進行氧化作用之后缺少足夠的強度。在此之外，結(jié)構(gòu)中含有納米碳的實驗試樣碳化物相的產(chǎn)生又會對阻止氧化行為產(chǎn)生助力作用。試樣的氧化率詳情見表3。

4 結(jié)語

綜上所述，在此次實驗中得出的結(jié)論有以下幾點：①試樣中含有的石墨比例不斷增加，使得試樣體積密度不斷下降，這種情況產(chǎn)生的主要原因就是氧化鋁所占比例過低，高密度材料被低密度材料代替。②和其他的試樣進行對比，石墨占比高的試樣強度會比較弱，伴隨著石墨比例的不斷上升，強度會逐漸減小。③當(dāng)處理溫度達到1200℃時，帶有納米碳的試樣強度會逐漸上升，并且在碳含量較低時也能夠形成碳化物相。④試樣中含有25%的石墨會具有更加良好的抗氧化性，但是其結(jié)構(gòu)會比較疏松，并且在其發(fā)生氧化作用之后就會失去應(yīng)有的強度。

【參考文獻】

【1】廖寧，李亞偉，桑紹柏，等.納米炭黑和鱗片石墨對低碳鋁碳材料性能的影響[J].耐火材料，2015（01）：6-12.

【2】賀蓮花.石墨表面的水泥基納米涂層對鋁質(zhì)耐火復(fù)合材料抗侵蝕性能影響的深度研究[J].耐火與石灰，2017，42（03）：41-48.

【作者簡介】陳佳（1991-），男，湖北廣水人，助理工程師，從事煉鋼用耐火材料的生產(chǎn)組織、質(zhì)量控制和使用情況跟蹤研究。