一種鋁碳耐火材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于耐火材料技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種鋁碳耐火材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以Al2O3-C耐火材料為代表的含碳制品在連鑄工藝中作為鋼包和控流耐火材料被廣泛采用，已成為連鑄上應(yīng)用最廣泛的耐火材料，大量用作鋼包和中間包滑動(dòng)水口系列產(chǎn)品和連鑄三大件(長(zhǎng)水口、浸入式水口和塞棒)等。連鑄三大件在煉鋼生產(chǎn)中處于十分重要的位置，其質(zhì)量的好壞對(duì)于連鑄生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性具有重要的意義。目前全世界80%的鋼坯采用連鑄技術(shù)生產(chǎn)。其中，鋼包滑板、長(zhǎng)水口、浸入式水口、塞棒以及中間包滑板是實(shí)現(xiàn)高可靠性連鑄的關(guān)鍵耐火材料，它們性能的優(yōu)劣直接影響著連鑄效率和鋼坯質(zhì)量。在國(guó)家持續(xù)加大特殊鋼產(chǎn)品升級(jí)開發(fā)的力度、努力替代進(jìn)口和滿足國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)提升的新增市場(chǎng)需求的形式下，提高連鑄關(guān)鍵耐火材料的使用壽命和降低對(duì)鋼水質(zhì)量的影響顯得尤為重要。
[0003]圍繞著優(yōu)化和提高Al2O3-C耐火材料組織、結(jié)構(gòu)、制備和性能的目的，人們已開展了大量的研究工作并成功開發(fā)出用于冶煉的鋁碳耐火材料，這些研究主要關(guān)注于改善Al2O3-C耐火材料抗侵蝕性并提高連鑄爐次。但是，Al2O3-C耐火材料的損毀及對(duì)鋼質(zhì)量的影響除了耐火材料與鋼渣和鋼水之間的相互作用因素以外，人們往往忽視了 Al2O3-C耐火材料主要成分Al2O3和C之間在煉鋼條件下發(fā)生的碳熱還原反應(yīng)及其對(duì)鋼水質(zhì)量和鋁碳材料性能的影響。
[0004]氧化鋁的碳熱還原反應(yīng)式為:
[0005]Al2O3 ⑶+3C ⑶=2A1 ⑴+3C0(g) (I)
[0006]在一個(gè)大氣壓下，反應(yīng)式(I)發(fā)生所需要的最低溫度為2200°C，遠(yuǎn)高于鋼水連鑄的溫度。所以，該反應(yīng)在Al2O3-C耐火材料的抗侵蝕性及對(duì)鋼水質(zhì)量的影響研究中往往被人們所忽略。單純從氧化鋁和碳之間的固相反應(yīng)來(lái)分析，在煉鋼溫度下，反應(yīng)式(I)是不會(huì)發(fā)生的，但在金屬溶液存在的情況下，氧化鋁的碳熱還原反應(yīng)在煉鋼溫度下則是可以發(fā)生的。
[0007]上世紀(jì)八十年代末期，F(xiàn)rank等人(Robert A.Frank, Charles ff.Finn and JohnF.Ell1tt.Physical Chemistry of the Carbothermic Reduct1n of Alumina in thePresence of a Metallic Solvent:Pa rt I1.Measurements of Kinetics of React1n.Metallurgical Transact1ns B, 1989，20B⑷，161-173)曾研究了在 1700 ?1850°C和在0.08?0.2atm條件下，有錫或銅金屬溶液存在的情況下氧化鋁的碳熱還原反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)有金屬溶液存在的情況下，氧化鋁的碳熱還原反應(yīng)是可以發(fā)生的，其反應(yīng)式為:
[0008]Al2O3 ⑶+3C⑶=2 4i+3C0(g) (2)
[0009]式(2)中:A1表示溶解在金屬溶液中的Al。
[0010]研究認(rèn)為氧化鋁的碳熱還原反應(yīng)受到溫度、CO分壓和金屬溶液中鋁的活度的影響。在錫或銅金屬溶液存在的情況下，氧化鋁的碳熱還原反應(yīng)在1800 °C和0.1atm條件下，于60分鐘內(nèi)可以完成80 %。二十年后，Khanna等人(Rita Khanna, SomyoteKongkaratj Seshadri Seetharaman and Veena Sahajwalla.Carbothermic Reductoin ofAlumina at 1873K in the Presence of Molten Steel:a Sessile Drop Investigat1n.1SIJ Internat1nal，2012，52 (6) ,992-999.)在1550°C溫度和微正壓的條件下，采用液滴附著法研究了 Al203-C/Fe系統(tǒng)中氧化鋁的碳熱還原反應(yīng)。通過(guò)改變了材料中Al2O3和C的比例，研究了熔體中碳含量的變化、Al2O3-C耐火材料的侵蝕及其與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。研究表明，氧化鋁的碳熱還原反應(yīng)在有鐵液出現(xiàn)的情況下于1550°C就可以發(fā)生，Al2O3-CVFe系統(tǒng)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致鐵液中的鋁含量和碳含量增加，在Al2O3-C材料和Fe液接觸界面有鐵鋁相生成。Khanna等的研究再次證明了反應(yīng)式(I)在金屬溶液存在的條件下，低于理論反應(yīng)溫度是可以發(fā)生的。
[0011]以上研究結(jié)果表明，氧化鋁和碳在和鐵液(鋼液)或其它金屬溶液共存的情況下會(huì)導(dǎo)致氧化鋁碳熱還原反應(yīng)的發(fā)生。Al2O3和C是當(dāng)前連鑄控流系統(tǒng)用鋁碳耐火材料的主要組份，當(dāng)氧化鋁碳熱還原反應(yīng)的氣相產(chǎn)物從反應(yīng)區(qū)域揮發(fā)以后，在原位留下氣孔將成為鐵液滲入材料的通道，提高了侵蝕反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率并導(dǎo)致材料損毀，同時(shí)，對(duì)鋼中的碳含量、鋁含量和氧化物夾雜數(shù)量產(chǎn)生影響，降低了鋼水的純凈度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)不足，目的是提供一種鋁碳耐火材料，該材料不僅具有良好的導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能、優(yōu)良的抗熔體侵蝕和滲透性能，而且可以抑制材料內(nèi)氧化鋁和碳在和鐵液(鋼液)或其它金屬溶液共存的條件下氧化鋁碳熱還原反應(yīng)的發(fā)生。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:以30?70wt%的剛玉顆粒、15?40wt%的剛玉細(xì)粉和10?40wt %的碳化娃-碳復(fù)合粉體為原料，再外加所述原料2?6wt%的酚醛樹脂，攪拌2?30分鐘，壓制成型，自然干燥24小時(shí)；然后于110?300°C條件下熱處理8?24小時(shí)，在1300?1700°C條件下于還原氣氛中保溫I?12小時(shí)，自然冷卻，即得鋁碳耐火材料。
[0014]所述剛玉顆粒的Al2O3含量彡98wt%，粒徑為11?0.2mm。
[0015]所述剛玉細(xì)粉的Al2O3含量彡98wt%，粒徑為I?200 μ m。
[0016]所述碳化娃-碳復(fù)合粉體的制備方法是，先將50?90wt%的石墨、5?40wt%的高硅氧玻璃和I?1wt%的酚醛樹脂攪拌混合2?30分鐘，壓制成型，自然干燥24小時(shí)；再于110?300°C條件下熱處理8?24小時(shí)，然后在1300?1700°C條件下于還原氣氛中保溫I?12小時(shí)，自然冷卻，破碎至粒度小于I?200 μ m，即得碳化硅-碳復(fù)合粉體；
[0017]所述碳化硅-碳復(fù)合粉體的主要化學(xué)成分是:SiC為3?40wt %，C為58?95wt%, S12S 0.1 ?2wt%。
[0018]所述高硅氧玻璃中=S12含量彡94wt%,B 203含量彡Iwt% ;高硅氧玻璃的粒徑為3 ?200 μ mD
[0019]所述石墨的C含量彡90wt% ;石墨的粒徑為3?500 μ m。
[0020]所述酚醛樹脂的殘?zhí)悸?gt;40% ;酚醛樹脂為液態(tài)或?yàn)楣腆w粉末，其中的固體粉末粒徑為40?200 μπ?ο
[0021]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果:
[0022]本發(fā)明采用的碳化硅-碳復(fù)合粉體，并非是碳化硅和碳的簡(jiǎn)單機(jī)械混合所得到的材料，而是根據(jù)申請(qǐng)人獲得專利權(quán)的“一種碳化硅-碳復(fù)合材料及其制備方法”(ZL201210260212.4)的專利技術(shù)所制備的一種新型復(fù)合材料，該專利技術(shù)在制備碳化硅-碳復(fù)合粉體過(guò)程中，配料中的高硅氧玻璃在高溫下變?yōu)槿垠w，包裹在石墨表面并和石墨發(fā)生液相反應(yīng)并生成碳化硅，進(jìn)而形成碳化硅-碳復(fù)合材料。
[0023]本發(fā)明中的碳化硅-碳復(fù)合材料取代了現(xiàn)有鋁碳耐火材料制備中所使用的石墨，碳化硅將氧化鋁與石墨隔離，極大地降低了石墨和氧化鋁接觸的幾率，抑制了耐火材料在冶煉過(guò)程中氧化鋁碳熱還原反應(yīng)的發(fā)生，降低了氧化鋁碳熱還原反應(yīng)對(duì)鋼水質(zhì)量和耐火材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。同時(shí)，碳化硅-碳復(fù)合粉體具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、抗氧化性能、熱震穩(wěn)定性能、高比強(qiáng)度、高比模量和非脆性斷裂的特點(diǎn)，作為本發(fā)明的鋁碳耐火材料中的第二組份，能提高材料的高溫力學(xué)性能。
[0024]本發(fā)明所制備的鋁碳耐火材料經(jīng)檢測(cè):鋁碳耐火材料耐壓強(qiáng)度多50MPa，體積密度彡 2.80g/cm。
[0025]本發(fā)明制備的鋁碳耐火材料不僅具有良好的導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能、優(yōu)良的抗熔體侵蝕和滲透性能，而且可以抑制材料內(nèi)氧化鋁和碳在和鐵液(鋼液)或其它金屬溶液共存的條件下氧化鋁碳熱還原反應(yīng)的發(fā)生；本發(fā)明所制產(chǎn)品適用于高純凈鋼材的冶煉生產(chǎn)，能提尚鋼材廣品的附加值。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，并非對(duì)其保護(hù)范圍的限制。
[0027]為避免重復(fù)，現(xiàn)將本【具體實(shí)施方式】所涉及的技術(shù)參