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低碳镁碳耐火材料基质材料的优化

编辑:耐火浇注料   时间:2020-08-07    浏览:   
镁碳耐火材料的基质组成与结构对其抗热震性及抗渣侵蚀性有着决定性的作用。低碳镁碳耐火材料的低碳化,使得骨料颗粒与碳颗粒间的接触频率大大减小,碳颗粒不能在基质中形成连续相而分散不均匀,进而降低了耐火材料的抗热震性和抗渣侵蚀性等。但是,研究表明可以通过改变基质的种类、颗粒组成、粒度大小等来调控低碳镁碳耐火材料中的气孔形状、大小及分布,并借此来提高其抗热震性与抗渣侵蚀性。
Zhu 等利用纳米氧化石墨片、碳纳米管和炭黑等纳米碳源为原料来改善低碳镁碳耐火材料的基质组成,研究结果表明,与含有 10% ( w) 石墨的传统镁碳材料相比,基质中引入纳米碳管的低碳镁碳试样具有比传统镁碳材料更高的强度保持率和抗热震性。
王长明等以电熔镁砂、鳞片石墨、热固性酚醛树脂及金属铝粉等为原料制备了低碳镁碳耐火材料,并研究了镁砂临界粒度及粒度分布系数等对其常温物理性能、抗氧化性和抗侵蚀性等的影响。研究结果表明:
1) 随着镁砂临界粒度的减小,所制备的低碳镁碳耐火材料的体积密度逐渐增大,显气孔率以及线膨胀率逐渐减小; 抗氧化性逐渐增强。
2) 镁砂粒度分布系数的增大,有利于低碳镁碳耐火材料体积密度与耐压强度的提高,也有利于降低其显气孔率及线膨胀率。
3) 合适的镁砂粒度分布系数能显著改善其抗渣侵蚀性。因此,通过调整镁砂的临界粒径和粒度分布系数来优化其基质组成,可以达到改善低碳镁碳耐火材料性能的目的。
Zhu 等通过原位催化生成 MgO 晶须的方式来优化低碳镁碳耐火材料的基质,以电熔镁砂、镁铝尖晶石、金属铝粉和硝酸镍等为原料制备了基质中含有MgO 晶须的低碳镁碳耐火材料。研究结果表明,所制备的材料经1400 ℃高温热处理后,耐火材料的基质中原位生成了大量交叉成网络状结构的 MgO 晶须,显著改善了低碳镁碳耐火材料的物理性能。如表1所示。
 1400 ℃处理后镁碳试样的物理性能
表1  1400 ℃处理后镁碳试样的物理性能
综上所述,通过使用纳米碳源、调整合理的颗粒级配及在基质中原位生成 MgO 晶须等,能够对低碳镁碳耐火材料的基质进行优化,进而实现改善低碳镁碳耐火材料的抗热震性和抗渣渗透性等的目的。但是,这种方法对低碳镁碳耐火材料的性能改善有限,并不能从根本上解决其因碳含量降低所引起的各种问题。因此,如何调整基质的组成及显微结构,进而有效地改善低碳镁碳耐火材料的性能,尚有待于进一步深入研究。
低碳 MgO-C 耐火材料的抗热震性和抗渣侵蚀性等可以通过结合剂的纳米改性、基质组成与结构的优化及高效抗氧化剂的使用等来加以改善。纳米改性结合剂的使用,可以提高树脂的热稳定性和残碳率,进而提高材料的性能。但纳米材料的引入会增加生产成本,且纳米改性添加剂如何均匀地分散及界面相容性等问题限制了其大规模实际生产。通过优化低碳 MgO-C 耐火材料的基质结构,可以改善材料的力学性能、抗热震性及抗渣渗透性等,但这也存在着难以大量形成纳米基质、性能改善幅度有限等问题。高效抗氧化剂的使用可以极大地提高低碳镁碳耐火材料的抗氧化性能、抗热震性等,其缺点在于抗氧化剂的引入往往会消耗低碳镁碳耐火材料中的石墨,并在材料内引入新的杂质相,对耐火材料的高温性能不利
  镁碳耐火材料既保持有碱性耐火材料优良的耐高温性能,又彻底改变了碱性耐火材料耐剥落性能差,容易被炉渣侵蚀等固有缺点,广泛应用于转炉、电炉、钢包内衬和渣线等部位。随着冶炼新技术的发展,传统镁碳耐火材料在使用过程中存在的热损耗大、对钢水增碳和石墨资源消耗量大等问题日益突出,镁碳耐火材料低碳化成为必然趋势。低碳化后,镁碳材料的一些优良性能受到了一定程度的影响,如热震稳定性降低、抗渣渗透性变差等。为了对低碳镁碳材料的基质组成进行系统的优化,改善基质的显微结构,增强材料的强度及抗氧化性能,本文主要从碳素原料的选择,结合剂的改性以及复合抗氧化剂的引入三个方面进行研究。得到以下主要结论:在低碳镁碳材料中单一或复合引入不同种类的碳素原料,对试样的显气孔率、体积密度、常温耐压强度及常温热导率进行测试,并利用SEM对炭化后试样的断口显微形貌进行表征。结果表明,当引入单一碳素原料时,以超细鳞片石墨为碳素原料的镁碳材料炭化后,试样内部可以形成均匀连续的碳网络结构,使材料表现出良好的常温性能。当引入复合碳素原料时,超细鳞片石墨与膨胀石墨能很好填充在镁碳材料的孔隙中,使镁碳材料炭化后结构均匀致密,常温性能良好。采用Hummers法制备氧化石墨烯,将质量分数为0.35%的氧化石墨烯引入低碳镁碳材料中,可以使材料获得优良的常温性能及均匀的基质结构。此外,在碳素原料中引入硝酸镍作为催化剂,引入硅粉作为抗氧化剂,在Ar气氛下1000℃及1100℃热处理后可以生成SiC晶须。以硝酸镍作为改性剂对热固性酚醛树脂进行改性处理,利用SEM对其炭化产物进行表征。镍改性树脂在Ar气氛下900℃炭化处理后,炭化产物中有碳纳米管/碳纳米纤维生成,温度的升高有利于其生长,当处理温度为1000℃时,生成的碳纳米管/碳纳米纤维的长径比较大。将硝酸镍与沥青均匀混合,得到镍改性沥青,在镍改性沥青中添加Si粉对其进行复合改性,复合改性沥青在Ar气氛下1000℃处理后原位可以生成SiC晶须,随着炭化温度的升高,SiC晶须逐渐伸直变粗,当处理温度升高到1400℃时,炭化产物中的晶相几乎全为SiC。低碳镁碳材料中同时加入镍改性沥青和镍改性树脂作为结合剂,试样在1200℃下埋炭处理后,基质中有碳纳米管/碳纳米纤维生成。为了研究抗氧化剂Al和TiO2的复合引入对低碳镁碳材料基质物相组成及抗氧化性能的影响,将镁砂细粉、超细鳞片石墨、Al粉和TiO2按照一定比例混合,混合物在1000℃及1300℃下埋炭热处理后,样品中有TiN、MgAl2O4新相生成,处理温度升高至1500℃时,新生成的TiN与TiC互相固溶形成Ti(C,N)。低碳镁碳材料中复合引入3%Al、1%TiO2添加剂后,材料的抗氧化性能得到明显提高,同时原位尖晶石的生成增强了基质的陶瓷结合,提高了低碳镁碳材料的强度。此外,复合引入Al和TiO2添加剂避免了材料中Al4C3的生成,有利于改善单独引入Al粉试样易水化的问题。 高铝砖
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