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多用途陶瓷结合的含碳耐火材料

时间:2017-6-12 8:48:00   来源:本网   添加人:admin

  在镁砖股份有限公司的工业条件下研究并制订了多用途陶瓷结合的刚玉质含碳耐火材料的生产工艺。探索了此种材料的微观组织结构特点、生产工艺及损毁机理。列出了该材料的物理陶瓷性能及高温性能,并与可选的耐火陶瓷的性能指标做了比较。确定了此种材料的独特性能、优点及广泛应用的可能性。

  如何提高冶金窑炉的生产潜力及其工作内衬的使用潜力是耐火材料及冶金工业面临的世界性主要问题。黑色冶金及有色冶金用耐火材料(其中特别是转炉炉衬用制品、钢包用制品、滑动水口用制品)的最有发展前途的方向之一就是采用含有各种加人剂(结晶桂、氧化锆等)的含碳复合材料,这便于形成陶瓷性碳化物结合剂和氮化物结合剂,从而显著提高耐火材料的热机械性能。

  在镁砖股份有限公司的工业条件下,研究并制订了陶瓷结合刚玉质含碳耐火材料的生产工艺。根据俄罗斯国家标准rCT 28874-90,该材料属于碳质材料类型。按照耐火材料的化学矿物组成分类,该材料属于含碳材料种类之内,其碳含量介于4%~40%之间。作为颗粒状骨料,采用电熔刚玉或烧结刚玉。

  制品的化学成分见表1.表1试验前制品的化学成分/%(质量)制品编号制品名称灼减Si金属刚玉质含碳制品镁碳质制品镁质制品铸尖晶石质制品一表2试验前(分子)及试验后(分母)各种耐火材料的传统生产工艺为多工序工艺,即包括5个工序。

  制备共同细粉碎混合物,该混合物由数种组份组成,有不同的配比方案。向细粉碎组份中加人各种加入剂,其中包括表面活性物质,可以保证耐火材料具有最佳的热性能和抗侵蚀性能,并使其使用寿命延长。

  制备原料、实施配料及制成泥料。

  过焙烘处理后的制品坯样的物理陶瓷性能指标见表2.经过焙烘处理后的制品放在隧道窑中埋在焦炭碎屑之中于152(rc进行烧结。

  耐火制品的物理陶瓷性能指标制品编号开口气孔率体积密度耐压强度于2001干燥后的砖坯推荐的耐火材料(Nol)与相似的耐火材料即镁碳质耐火材料(No2)、镁质耐火材料(No3)及镁尖晶石质耐火材料(No4)之间的物理陶瓷性能指标比较见表2,其线性热膨胀系数数据见表3.表3各种不同耐火材料的线性热膨胀系数及相对延伸率AL/U温度范围/VNolNo2Nq3Nq4使W前使用沿使用前+使用前m版使用前'/%线性热膨胀系数/%线性热膨胀系数/10-61/%线性热膨胀系数/%线性热膨胀系数/UK-1厶L/I/%线性热膨胀Nol制品的微观组织结构的特点是刚玉骨料颗粒排列致密,该骨料颗粒被细粉碎组份组成的基质结合在一起。与No2、No3及No4制品不同,由于配料组份颗粒组成的成功组合,以及其特殊的微观组织结构(即陶瓷结合),使Nol制品具有较高的抗热震性及重烧强度。生产的某一工序的高温处理对耐火材料的影响将制约着陶瓷结合的形成。在进行热处理时,在高温下形成矿物的过程中发生下列基本反应,其形成物已被发现,利用电子探针X射线显微分析方法证实了上述形成物的存在:观察到复合氧碳化铝和硅的固溶体(见图I,3)。新形成的陶瓷结合剂(主要为碳化硅结合剂)以无定形的形式存在,它使细粉碎组份的颗粒胶结在一起。由于具有较低的线性膨胀,此种碳化硅生成物已不允许被它包围在其中的刚玉颗粒自由膨胀,从而对整个制品的总膨胀率的下降起到制约作用。

  在200丈热处理的砖坯的耐压强度仅为8MPa,而由于陶瓷结合剂的形成,使整个成品的耐压强度平均提高到144.7MPa. Nol配料的制品,特别是作为滑动水口用的滑板在某钢铁公司的大吨位钢包中浇铸钢水时进行了试验,显示出可靠的使用寿命,至少在2次以上。其使用后的化学成分及矿物组成见表4.表4刚玉质含碳制品使用后的化学成分与矿物组成制品的层别指标微变层工f层接触层铸孔化学成分/%灼减矿物组成/%(体积)刚玉硅酸盐碳素物质金属碳化硅与碳化铝其它使用后对滑板进行的宏观研究以及光学微观研究和电子微观分析的结果表明,在使用过程中在滑板中不形成带层。滑板呈均匀的深灰色至黑色,仅仅在靠近滑动工作面,在铸孔表面及平面与铸孔交接处发现了断续的工作层,厚度达0.5~2.5mm.未观察到金属及炉渣浸人耐火材料内,接触面平滑、整齐、笔直(见与滑板使用前的微观组织结构比较,使用后滑板冷面的微观组织结构发生不大的变化,表现为总气孔率稍有增大。

  在浇铸钢水时滑动水口用滑板的损毁机理通常为开始使用时耐火材料受到损坏,其原因如下:由于受到热冲击,在铸孔周围形成辐射状裂纹;工作面剥落;受到钢水和炉渣的高温化学侵蚀;受到接触面压力;以及在最后阶段发生磨损。滑板的抗损毁性取决于许多因素,而且呈几种形式:组织结构的抗损毁性、结渣层的抗损毁性及热力学抗损毁性。据报道,在我们所研究的情况下,可把抗损毁性列为组织结构的抗损毁性。在这种情况下造成耐火材料损毁的因素有:炉渣侵蚀――金属液及炉渣熔体的化学性侵蚀;结构强度下降;因热应力、接触压力和弯曲力引起的开裂;夹紧力及冲刷性机械损毁等。

  根据显微镜研究结果表明,刚玉质含碳滑板的损毁机理稍有不同。按照各种损毁因素可以分为两种损毁机理:滑板滑动工作面的损毁;滑板铸孔壁的损毁。在前一种情况下,主要是侵蚀性损毁在起作用;在后一种情况下,是在金属熔液流的压力作用下的冲刷性损毁在起作用(见)。

  刚玉质含碳滑板具有较高的强度和较低的线性热膨胀率,因而它能使滑板有效地抵抗热负荷的影响和开裂的作用。

  由于滑板具有细气孔结构(细粉碎组份中的气孔主要为单独的不连续的气孔,呈圆形,直径2040pm),配料组成最佳及配料组份具有各种较高的独特性能,使滑板具有不易被金属液润湿的特性,因而金属液及炉渣熔体对其冲刷及侵蚀的作用极低(见)。

  掺人了加人剂的刚玉质含碳耐火材料(No 1制品)是较为新型的耐火材料,它能满足用户的要求,并且比镁质制品(No2)、镁碳质制品(No3)及镁尖晶石质制品(No4)等更具有一系列的优越性。此种耐火材料在使用前及使用后均具有较好的物理陶瓷性能指标,以及良好的线性热膨胀率。在20~900温度范围内对NolNo4耐火制品的线性热膨胀率的研究结果表明:Nol耐火制品的线性热膨胀率比镁碳质制品低0. 5倍,而比镁质制品及镁尖晶石质制品低11.5倍。这受到几种原因的制约。

  第一,耐火陶瓷的线性热膨胀率取决于材料本身由几种材料组成,因为其线性热膨胀率的总值是由各材料的线性热膨胀率相加而求得的(例如,刚玉及结晶硅的线性热膨胀率低于方镁石的该项指标)。采用线性热膨胀率低的材料时又会影响到抗热震性及机械强度的提高。

  第二,耐火陶瓷的线性热膨胀率取决于其微观组织结构,在含碳材料中,在许多方面取决于加入的碳素物质的颗粒的粒度,而在镁质材料中该指标则取决于其颗粒的形状和颗粒组成。

  (a)中列出了各种耐火材料的相对延伸率与温度之间的关系。从其中很好地看到,刚玉质含碳材料具有最低的相对延伸率,而且在900T以下的各温度区间,其线性热膨胀率也最低(见,6)。它是制造各种冶金窑炉用多用途制品的最适宜的原料,尤其适用于制造钢包用滑动水口的滑板。

  在机械耐压强度指标方面,上述材料显示出自己的明显的独特性(见表2)。掺人加人剂的刚玉质含碳材料的强度比镁质材料、镁碳质材料及镁尖晶石质材料等的强度高。52倍,平均为144. 7MPa.而且该材料在试验之后(在我们所研究的情况下指滑动水口用滑板而言),即浇铸2次钢水之后,其强度比使用前提高0.51.0倍。我们所研制成的及其它被研究的材料在强度方面的显著差异,以及含碳制品使用后耐压强度CTa的大幅度提高,均与向其中加人各种不同的加人剂及制造工艺的特点有密切关系。在此种情况下,机械强度的提高主要靠加人结晶桂来实现。在一定的条件下,加人足够数量的结晶硅可使材料发生化学反应,导致再度形成碳化硅结合剂(见,a~B)D该材料在20~200及20~650温度区间使用后线性热膨胀率仅稍有缩小(见)。这说明材料的强度有所提高,即在碳化硅与刚玉之间形成陶瓷结合剂,以及形成碳化铝和复合氧碳化物固溶体(见,B),就是说在高温下发生的碳化物形成过程是连续地进行的。下列情况也证明了这一点:使用前制品经过1520尤烧成之后观察到未参加反应的结晶桂(见表1)。

  各种耐火材料的物理陶瓷性能(体积密度、开口气孔率等)见表2.各材料的密度指标几乎是相同的,换句话说,处于一区间内。就开口气孔率而言,刚玉质含碳材料及镁碳质材料更优越于镁质材料,由于微观组织结构的特点,前者的开口气孔率比后者低1倍。就是说,由于加人了碳素物质,使耐火材料中形成微细气孔结构,气孔的尺寸为<4(1,数量亦少。由于碳素物质与刚玉之间或者碳素物质、细粉碎组份及碳化物三者之间再度形成结合剂,使粗颗粒及细颗粒的排列密度显著提高,从而提高了耐火材料对金属熔液及炉渣侵人的抵抗能力。

  结束语在镁砖股份有限公司的工业条件下,研究制订了陶瓷结合的刚玉质含碳耐火材料的生产工艺并应用于实践。指出了生产此种耐火材料的可能性及其发展前景。

  与无加人剂的镁碳质耐火材料及镁质耐火材料比较,掺人加人剂的该耐火材料能再度形成高强度陶瓷结合剂,因而在微观组织结构、热性能及物理陶瓷性能方面显示出一定的优越性。

  发现并证实了刚玉质含碳制品在使用后其机械强度显著地提高0.5~1倍,而且还查明与试验前相比,该耐火材料在20~20(n:及~650:区间,其线性热膨胀率下降。

  明,刚玉质含碳滑板的被润湿性不好,系以其微观组织结构及矿物相组成的特性为先决条件。

  陶瓷结合的含碳耐火材料生产的初步结果表明,该材料具有较低的线性热膨底率及较高的机械强度,它是一种抗热震性好的、抗损毁性高的独特的材料,可广泛地应用于各种冶金窑炉和装置中。

  对此种耐火材料制造工艺应迸-步完善,探索其损毁机理及损毁特性,从而显著地提高其使用寿命,使冶金窑炉内衬的寿命延长数倍。

  3236李连洲校(:22年9月)堇青石锆英石复合材料的最新发展用工业堇青石粉末加人10%(质量)的锆英石(ZrSiCK)模压制得堇青石-锆英石陶瓷复合材料。通过加人ZrSi04形成玻璃相可提篼堇青石的烧结性。当锆英石的加入量超过2. 5%时,对复合材料的机械性能无进一步的影响。当锆英石的加人量为2. 5%时,最大抗折强度是(84±7>MPa,比纯堇青石强度高30%.加入ZrSi042.5%的堇青石随着温度上升到1300T,由于致密化,其强度增大。然而当温度超过130(TC时,由于大量玻璃相的形成,其强度降低。随着ZrSi04的加入,堇青石的平均断裂钿性从1.0增加到1.5MPam'/2.这一性化是由于堇青石与ZrSi4第二相之间的热膨胀差异使环绕锆英石颗粒的裂纹发生偏转所致,而不是因堇青石颗粒所受到的残余应力所致。

  1前言常数和抗热震蜂窝状结构而广泛用于电子设备用基片和自动排气接触器。然而由于其在生产工艺过程中的机械性能较差,使断裂韧性降低,从而阻碍了它的应用。

  在过去的20年中,通过利用与弥散颗粒有关的机理研究断裂能量的分散性,从而使韧性化的复合材料得到发展。扩展性裂纹顶端附近的第二相颗粒对前面产生干扰,使应力强度降低。通过加人氧化锆第二相而产生的氧化物陶瓷的分散韧性是改进氧化铝、莫来石和堇青石陶瓷的机械性能的可行性方法。

  在过去的研究中发现,加入到堇青石中的