全部商品分类
当前位置 >
首页 >
知识分享 >
不同碳源对低碳镁碳砖性能的影响
不同碳源对低碳镁碳砖性能的影响
近年来，随着洁净钢品质的提高和节能降耗要求的加强，使得镁碳质耐火材料向低碳化发展。碳含量降低后，镁碳耐火材料的抗热震性和抗熔渣侵蚀性明显降低。这是因为：1)碳含量降低，材料的热导率降低，使得材料缓解温度骤变时产生热应力的能力降低，从而使得低碳镁碳耐火材料的抗热震性降低;2)碳含量降低后，熔渣与材料的润湿性增强，从而使得低碳镁碳耐火材料的抗熔渣侵蚀渗透性降低。因此，在降低碳含量的同时如何保持镁碳耐火材料优良的力学性能、热学性能和抗氧化性能，碳源的引入形式至关重要。当引入复合碳源时，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。不同粒度的混合型石墨作为碳源，可以有效改善低碳镁碳材料的物理性能。但是，单独添加炭素原料对低碳镁碳耐火材料性能的影响报道还较少。为此，在本工作中，研究了不同碳源对低碳镁碳砖性能的影响，为耐火材料研究者提供参考。 试验所用原料有:95电熔镁砂(5～3、3～1、≤1 mm),96电熔镁砂(≤0.074 mm),195鳞片石墨(≤0.044 mm,w(固定碳)=95.0%,w(挥发分)=1.2%，筛余量≤20.0%,w(水分)≤0.5%),N220纳米炭黑(粒径20～25 nm)、Si粉(≤0.044 mm)和高温沥青(软化点>110℃，w(固定碳)=59.4%)，热固性液体酚醛树脂。其部分原料的主要化学组成见表1。
按照表2进行配料。在混碾机中先加入镁砂粗颗粒混碾4～5 min，再加入一半的热固性酚醛树脂并继续混碾4～5 min，在结合剂将镁砂颗粒完全包裹后加入相应的炭素原料继续混合约5 min，待炭素原料分散均匀后向混碾机中放入预混合5 min的镁砂细粉和硅粉，并持续混碾5 min，最后倒入另一半酚醛树脂混碾5 min。用液压机以100 MPa压力压制成125 mm×25 mm×25 mm的试样用于检测力学性能，使用1 000 t摩擦压力机成型并置于烘箱中于200℃烘12 h后，切割成50 mm×50 mm×50 mm试样用于检测抗氧化性能。 将所有试样在200℃干燥12 h。将125 mm×25 mm×25 mm试样分别于800、1 000、1 200和1 400℃的温度下埋碳保温3 h后自然冷却。50 mmmm×50 mm×50 mm试样放在同一高温炉中分别于800、1 000、1 200和1 400℃在空气气氛下保温3 h后自然冷却。
按GB/T 2997—2000测量试样的显气孔率、体积密度，按GB/T 5988—2004测量试样的线变化率，按照GB/T 3002—2004测量试样的高温抗折强度(1450℃保温1h，空气气氛)。按照GB/T 13244—91测量试样在各个温度处理后的抗氧化性能。用卡尔蔡司公司生产的EVO18型扫描电子显微镜和能谱仪观察经高温抗折试验后试样的显微结构并进行微区分析，采用日本理学株式会社型号D/MAX2500PC X射线衍射仪对试样进行物相组成分析。 表3示出了不同碳源试样经不同温度埋碳处理后的线变化率。可以看出，各试样在不同温度下的线变化率几乎为0，只有在1 400℃埋碳处理时试样A1和A2的线变化率稍有增大。
图1示出了不同碳源对试样经不同温度处理后体积密度、显气孔率的影响。可以看出，分别经200、800、1000、1200和1400℃进行保温处理后，试样A1、A2、A3随着温度的升高，显气孔率基本呈先上升后下降的趋势，但变化程度很小。对比发现，200℃干燥后试样A3的显气孔率最低，而其他温度时其显气孔率都是最高。这是因为，沥青在200℃时软化，堵塞气孔;在800℃及其他温度下炭化处理时，沥青挥发分最多，所以显气孔率最大。无论引入的单一碳源是石墨、炭黑还是沥青，其经200℃保温12h后的体积密度均较高。
图2示出了不同碳源对试样经不同温度处理后常温耐压强度的影响。可以看出，与200℃热处理后各试样的常温耐压强度相比，经埋碳保温处理后，其他温度处理后试样A1、A2、A3的耐压强度都出现大幅度降低，随着温度的提高，各镁碳砖试样的耐压强度又逐渐有所升高。这是由于酚醛树脂在200℃时固化，此时主要靠树脂本身提供强度。但在热处理过程中，树脂发生分解，释放H2O、CH4、CO2等气体，气体的大量挥发会产生气孔，导致试样的显气孔率增大，致密度下降，强度下降。此时试样强度的大小由树脂残碳和炭素原料所形成的碳结构所决定。但温度为1200及1400℃时，基质会发生烧结使试样致密度提高，试样的显气孔率也出现下降，强度随之开始升高。在经过埋碳热处理后，试样A3均具有最高强度，这主要和沥青本身具有黏结作用有关。
图3示出了不同碳源对试样经1450℃保温1 h高温抗折强度的影响。从图3可以看出，试样A1和试样A3的高温抗折强度都为3.1 MPa，试样A2的高温抗折强度最小，只有2.4 MPa。
各试样高温抗折试验后试样基质的XRD图谱见图4。由图4可知:3个试样中均含有方镁石、镁橄榄石以及少量的Si C和C。高温抗折试验后试样断面的显微结构照片见图5。可以看到:试样A1中生成较多发育良好的柱状晶体，根据物相组成并结合微区成分分析判断是镁橄榄石，还有一些空心管状物，根据文献可以判断主要是树脂裂解生成的碳管或碳洋葱，粒状晶体为碳化硅;试样A2中存在较多棒槌状晶体，根据物相组成和结合微区成分分析，判断主要是发育不完全的镁橄榄石，管状物为碳管或纳米碳管，粒状晶体为碳化硅;而试样A3同时存在着大量的长度较长的发育不完全的镁橄榄石及碳管或纳米碳管，值得注意的是还有数量较多的Si C纤维生成，可以推断是由液-气或固-气反应形成;而试样A1、A2中未见纤维状Si C，而呈粒状，可以推断是由液-固或固-固反应形成。
因此，尽管3个试样中都存在镁橄榄石及SiC等物相，且其数量相近，但其在基质中的晶体发育程度和形态不同，从而导致试样的高温抗折强度出现差异。 图6示出了不同碳源试样在空气气氛中经不同温度的氧化情况。
从图6可以看出，经800、1000、1200和1400℃均保温3h空气气氛中处理后，试样A1脱碳层厚度最小，其抗氧化性能最为优良，未氧化面积占比最大为62%，最小为51%，在不同热处理温度下均比其他试样的高。各温度下，试样A2的比试样A3的脱碳层厚度小，两者在1200和1400℃时较为接近，在800和1000℃时两者的氧化程度相差比较大。即各温度下，试样的氧化程度:试样A1<试样A2<试样A3。石墨是晶态结构，其结构最稳定，抗氧化性最好;纳米炭黑由于尺寸小且是无定形结构，加上炭黑的断键多，比表面积大，从而具有更高的反应活性，易与O2发生反应，所以，比石墨更易被氧化。添加沥青的试样A3由于沥青炭化时挥发分较高，试样结构较疏松，所以抗氧化性能最差。 (1)添加沥青的低碳镁碳砖的强度最大，但其抗氧化性能最差;
(2)添加炭黑的低碳镁碳砖的高温抗折强度最低，其抗氧化性能介于添加石墨的与沥青的低碳镁碳砖之间; (3)添加石墨的低碳镁碳砖具有最佳的抗氧化性能和较好的常温及高温力学性能。
易耐网公众号