四種不同氧化鋁微粉對Al2O3－C材料性能的影響

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(qiáng)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(chǎn)技術(shù)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(jìn)一步提高鋼包滑板用Al2O3－C材料的強(qiáng)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(yàn)

1．1 原料

板狀剛玉顆粒（2．0～1．0、1．0～0．5和≤0．5 mm）和細(xì)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(yàn)配方配料。按照顆粒料→酚醛樹脂→鱗片石墨→細(xì)粉的順序?qū)⒃霞尤霛衲霗C(jī)中，混練40～50 min后，用500 kN摩擦壓力機(jī)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(shí)檢測埋碳熱處理后試樣的質(zhì)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(qiáng)度，按GB／T 3002—2017檢測干燥后試樣在埋碳?xì)夥罩杏? 400℃保溫0．5 h的高溫抗折強(qiáng)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(qiáng)度，以抗折強(qiáng)度保持率（熱震1次后試樣的常溫抗折強(qiáng)度÷熱震前試樣的常溫抗折強(qiáng)度×100%）表征試樣的抗熱震性。

2 結(jié)果與分析

2．1 質(zhì)量變化率

不同溫度埋碳熱處理后試樣的質(zhì)量變化率見圖1。可以看出：1 000℃埋碳熱處理后，試樣的質(zhì)量均略有減??；1 200℃埋碳熱處理后，試樣的質(zhì)量均略有增大；1 400℃埋碳熱處理后，試樣的質(zhì)量增大率均約為0．5%。分析分為：1 000℃埋碳熱處理后試樣質(zhì)量減小應(yīng)為酚醛樹脂裂解揮發(fā)導(dǎo)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(dǎo)致試樣質(zhì)量增大［9］。

圖1 不同溫度埋碳熱處理后試樣的質(zhì)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(qiáng)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(shí)，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(jié)程度相關(guān)。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(jié)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(dǎo)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(jié)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℃埋碳熱處理后的最小；試樣A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(qiáng)度見圖4?？梢钥闯觯郝裉紵崽幚頊囟认嗤瑫r(shí)，試樣常溫耐壓強(qiáng)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?yàn)椋谖锵嘟M成大致相同時(shí)，試樣的強(qiáng)度與其致密度呈正相關(guān)。隨著埋碳熱處理溫度的升高，試樣的常溫耐壓強(qiáng)度均呈升高趨勢，這應(yīng)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(jié)果。

圖4 埋碳熱處理后試樣的常溫耐壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度保持率見圖5?？梢钥闯觯簾嵴?次后試樣的抗折強(qiáng)度保持率由大到小的排序均為A、C、B、D，與常溫耐壓強(qiáng)度的大小順序相同。這可能是因?yàn)?，材料固有?qiáng)度越高，承受熱應(yīng)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(qiáng)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?xì)夥障掠? 400℃保溫0．5 h的高溫抗折強(qiáng)度見圖6。由圖6可以看出：試樣高溫抗折強(qiáng)度由大到小的排序?yàn)镃、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(xì)，可有效地填充微小孔隙，提高接觸質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)燒結(jié)，有利于提高試樣的高溫抗折強(qiáng)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(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲得優(yōu)異的高溫抗折強(qiáng)度。

圖6 干燥后試樣在埋碳?xì)夥障掠? 400℃保溫0．5 h的高溫抗折強(qiáng)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(zhì)，試樣B中的晶須狀物質(zhì)較少，試樣D中的晶須狀物質(zhì)最少。

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

2．5 應(yīng)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(chǎn)的高溫?zé)射X鋯碳滑板產(chǎn)品，已成功應(yīng)用于國內(nèi)多家大型鋼廠鋼包上，效果良好。例如，在國內(nèi)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(nèi)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(kuò)孔、板面氧化拉毛、開裂等問題也得到明顯改善。

3 結(jié)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(qiáng)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(qiáng)度最高。在鋼廠的實(shí)際使用結(jié)果表明，引入雙峰活性氧化鋁微粉生產(chǎn)的Al2O3－C滑板，其平均使用壽命提高，鑄孔擴(kuò)孔、板面氧化拉毛、開裂等問題也得到明顯改善。