复合碳源和复合氧化铝微粉对铝锆碳质滑板性能的影响

陈海山，卢咏明，崔任渠，樊明宇

（1.瑞泰马钢新材料科技有限公司，安徽 马鞍山243000；2.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽 马鞍山243000）

铝碳质滑板和铝锆碳质滑板仍是目前钢铁企业使用的主流滑板。氧化锆原料因具有晶型转变并伴有体积收缩的特性，可以提高材料的韧性和强度，同时氧化锆具有优良的抗侵蚀性能，因此铝锆碳质滑板相比于铝碳质滑板具有更优异的抗侵蚀性能和抗热震性能[1-2]。但随着冶炼强度的增大以及洁净钢冶炼技术的进步，对铝锆碳质滑板的要求也更为苛刻。近年来有研究发现引入纳米炭黑、碳纳米管、膨胀石墨及其复合物有望改善低碳铝碳耐火材料的综合性能[3-5]。廖宁等[6]研究了添加不同炭黑对铝碳耐火材料显微结构和性能的影响，发现添加大粒径的炭黑更有利于改善材料的力学性能，添加小粒径的炭黑有利于提高材料的热震稳定性。氧化铝微粉具有粒度小、分散度高、活性大等特点，引入到铝锆碳质滑板中可能改善其性能。为此，本文研究了添加不同复合碳源后铝锆碳质滑板的性能变化，并进一步研究了不同复合氧化铝微粉对铝锆碳质滑板性能的影响。

1 试验

1.1 原料及试样制备

试验原料主要有板状刚玉（2～1 mm、1～0.5 mm、＜0.5 mm 和20 μm，99 wt%Al2O3）、电熔锆刚玉（2～1 mm、1～0.5 mm 和0.045 mm，25 wt%ZrO2）、金属硅粉（0.045 mm，98 wt%Si）和金属铝粉（0.045 mm，99 wt%Al）；结合剂为热固性酚醛树脂（液态，36 wt%C）；碳源为鳞片石墨、炭黑220、炭黑774、膨胀石墨和进口沥青；氧化铝微粉（A、B、C 和D，99 wt%Al2O3）。设计了四种复合碳源的铝锆碳质滑板配方，碳源总量均为3%，各种碳源的比例均为1∶1∶1（见表1）。

表1 复合碳源组合

先将原料的细粉部分用滚筒式混合机预混2 h，得到预混合粉。混料时先将骨料放入混碾机中混合3～5 min，缓慢加入酚醛树脂结合剂混合3～5 min，最后加入预混合粉混匀。将混合料密封困料12 h，然后在200 MPa 压力下压制成Φ36 mm 的圆柱试样和25 mm×25 mm×150 mm 条形试样。试样经200 ℃条件下固化24 h 后，然后在埋碳条件下进行1 400 ℃保温6 h 高温处理。

1.2 试样表征和性能检测

按照Archimedes 排水法测试不同温度处理后试样的体积密度和显气孔率。按照YB/T 5201-1993检测试样常温耐压强度。采用XD-117A 型三点弯曲抗折仪（跨距为80 mm，加载速度为0.5 mm/min），利用EDC120 电子控制系统测试试样的常温抗折强度和高温抗折强度（测试温度1 400 ℃）。通过X 射线衍射仪（XRD，Philip，X Pert Pro）分析烧后试样的物相组成；利用场发射扫描电子显微镜（Nova 400，Nano SEM）观察试样的显微结构,并结合能谱仪（EDS，Phoenix EDS Mi croanalysis system）进行微区成分分析。

2 结果及讨论

2.1 复合碳源对试样性能的影响

表2 为添加复合碳源的试样经不同温度处理后的显气孔率和体积密度。相比于1 400 ℃，试样经200 ℃固化后的显气孔率均较小，体积密度稍大。这是由于试样经1 400 ℃高温处理后，结合剂树脂在高温下裂解产生气体，导致试样的显气孔率显著增大，体积密度稍有减小。对比添加不同的复合碳源试样可以发现，含鳞片石墨、炭黑220 和炭黑774 复合碳源的试样A1 经1 400 ℃处理后的显气孔率最小，体积密度最大。

表2 复合碳源试样经不同温度处理后的显气孔率和体积密度

对比不同复合碳源试样的耐压强度和抗折强度（见图1、图2）可以发现，由于高温处理后试样的显气孔率增大，导致1 400 ℃处理后试样的耐压强度和抗折强度均明显降低。另外，对比只含鳞片石墨的A0 试样，复合添加沥青粉或膨胀石墨对1 400 ℃处理后试样的抗折强度有不利影响； 但复合添加炭黑220 和炭黑774 能提高试样的强度。三种复合试样中，试样A1 的耐压强度和抗折强度均最大。

图1 复合碳源试样经不同温度处理后的耐压强度图

图3 为复合碳源试样的高温抗折强度。可以看出，相比于只含鳞片石墨的A0 试样，添加复合碳源试样的高温抗折强度均有所增大，其中复合添加炭黑220 和炭黑774 试样A1 的高温抗折强度最大，为15.36 MPa。引入小粒径的炭黑（N220），可填充在骨料颗粒之间，提高试样的堆积密度； 大粒径的炭黑（N774）有利于形成长径比大的碳化硅晶须，从而提高材料力学性能。引入炭黑复合碳源后，一方面改善了材料的颗粒级配，提高了材料的致密度；另一方面适量的碳化硅晶须更有助于提高试样的强度，因此添加复合炭黑的试样性能最优。

图2 复合碳源试样经不同温度处理后的抗折强度图

图3 复合碳源试样的高温抗折强度

2.2 复合氧化铝微粉对试样性能的影响

在复合碳源的试验基础上，进一步研究了复合氧化铝微粉对铝锆碳质滑板性能的影响。选取不同厂家生产的四种氧化铝微粉，编号为A、B、C、D。氧化铝微粉A 粒度小于5 μm，氧化铝微粉B 粒度小于3 μm，氧化铝微粉C 粒度小于1 μm，氧化铝微粉D 粒度小于3 μm。

根据复合碳源结果，鳞片石墨、炭黑220 和炭黑774 复合的试样A1 性能最优。因此以A1 为单一氧化铝对比试样（即B0 试样），设计了三组复合氧化铝微粉试样，三种配方的氧化铝微粉含量相同（见表3）。

表3 复合氧化铝微粉组合

复合氧化铝微粉试样的显气孔率和体积密度如表4 所示。由于结合剂裂解产生大量气体，因此试样经1 400 ℃处理后的显气孔率增大，体积密度降低。相比于含单一氧化铝的B0 试样，添加复合氧化铝微粉的试样经1 400 ℃处理后的显气孔率均有所降低，体积密度增大。此外，对比不同的复合氧化铝微粉试样可以发现，B2 试样经不同温度处理后的显气孔率最低，体积密度最大。

表4 复合氧化铝微粉试样经不同温度处理后的显气孔率和体积密度

复合氧化铝微粉试样经不同温度处理后的耐压强度和抗折强度分别如图4、图5 所示。对比B0 试样，添加复合氧化铝微粉后，试样的耐压强度和抗折强度均增大；其中氧化铝微粉A 和C 复合的试样B2强度最优，其耐压强度和抗折强度均最大。

图4 复合氧化铝微粉试样经不同温度处理后的耐压强度图

图5 复合氧化铝微粉试样经不同温度处理后的抗折强度图

图6 所示为复合氧化铝微粉试样的高温抗折强度。可以看出，相比于B0 试样，复合添加氧化铝微粉试样的高温抗折强度均有所提升，其中B2 试样的高温抗折强度最大，为17.87 MPa，说明氧化铝微粉A和C 复合最优。从以上结果可知，引入粒度更小的氧化铝微粉有助于改善试样的性能。这可能是由于小粒经的氧化铝微粉更有利于填充细小微孔，提高试样的致密度，从而改善试样的强度。

图6 复合氧化铝微粉试样的高温抗折强度图

2.3 物相分析和显微结构

对性能最优的试样B2 进行了物相分析和显微结构观察，分别如图7 和图8 所示。物相分析表明，高温处理后，试样中主要物相有刚玉、单斜氧化锆、石英、 石墨及少量莫来石相。原料中的Si 和Al 消失，表明高温处理后，Si 和Al 反应生成了其他物相。从图8 显微结构可以看出，试样中有许多晶须状物质生成，EDS 分析证实为SiC 晶须。试样中大量生成的SiC 晶须是试样强度改善的原因。

图7 复合氧化铝微粉试样B2 经1 400 ℃处理后的XRD 图

2.4 使用情况

按照该方案生产的钢包透气滑板于2017 年8月份在国内某钢厂试用，原铝锆碳质滑板使用炉数只有1～2 炉，采用新方案生产的钢包透气滑板使用寿命可稳定在3 炉。

3 结论

通过分别研究复合碳源和复合氧化铝微粉对铝锆碳质滑板性能的影响，可以得出以下结论：

图8 复合氧化铝微粉试样B2 经1 400 ℃处理后的SEM 图

（1）添加复合碳源对铝锆碳质滑板的常温耐压强度和抗折强度影响不大，但有利于提高滑板的高温抗折强度。复合添加炭黑220 和炭黑774 时，滑板的综合性能最优。

（2）添加复合氧化铝微粉不仅能提高铝锆碳质滑板的常温强度，而且对滑板的高温强度也有积极作用。复合添加氧化铝微粉A 和C 时，滑板的综合性能最优。