石墨含量对含有纳米碳的铝碳连铸耐火材料性能的影响

【摘  要】论文对耐火材料性能展开了分析，并通过实验对石墨含量对纳米碳的铝碳连铸耐火材料使用性能的影响做出了总结，进一步说明了当前阶段耐火材料性能方面呈现出的情况，希望能够对该领域的生产、研究提供一定的借鉴意义。

【Abstract】In this paper， the properties of refractories are analyzed， and the influence of graphite content on the performance of alumina carbon continuous casting refractories with nano carbon is summarized through experiments， and the performance of refractories at the present stage is further illustrated. It is hoped that this can provide some reference for the production and research in this field.

【关键词】石墨;氧化铝;显微结构;纳米碳

【Keywords】graphite; alumina; microstructure; nanocarbon

【中图分类号】TQ175.12;TF341.6                            【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2020）08-0174-02

1 引言

在连铸过程中，选用的耐火元件自身功能在进行碳化作用之后会存有占比30%左右的残碳存留。碳存留的主要缺陷为非常易氧化。针对上述内容，需要适度降低碳含量，但是，如果减少了碳元素在耐火材料中的占比，那么耐火材料自身的热导率也會随之下降，对其使用寿命造成不利影响。所以，针对不同碳源混合物来控制并降低实际碳含量，同时不损害其使用性能才是最终的追求目标。

2 实验过程

试验选用原料：粒径为3～2 mm.1 ～0.5 mm.0. 3～0.05 mm以及<45 μm、白色板状刚玉（WTA）、纳米碳N220、鳞片石墨、酚醛树脂结合剂、A1、Si金属粉、抗氧化剂为碳化硼，选用材料的性能表如表1所示：

对石墨含量做出改变，然后再固定纳米碳实际含量，并将其制备成为各种不同类型的组成试样，具体情况见表2.

根据表2中的数据内容在搅拌机中进行干混搅拌。在进行混合的过程中需要根据一定的顺序添加材料：先把粗壮板状刚玉和纳米碳进行混合;在此之后将树脂粉材料、抗氧化材料、板状刚玉细粉材料、板状刚玉中颗粒材料石墨材料以及液体树脂依次加入到设备中进行混合搅拌，是各种材料充分搅拌之后可以获取一定的稠度。然后再将已经混合好的材料进行困料，时间控制在3小时左右，利用液压机造成的压力将混合材料压制成试样。先将试样在220摄氏度下预处理3小时，然后再将不同温度（即1000摄氏度、1200摄氏度、1400摄氏度以及1600摄氏度）下进行处理作业，并为其保温3小时左右。分别对试验的体积密度、强度及抗氧化性进行检测，并选择X射线衍射仪将经过热处理之后的试样做出相分析，然后使用过Ni滤波，Cu（Kα）靶辐射。使用场在完成发射动作之后用电子显微镜记性扫描处理，利用EDX分析仪对试样进行研究，并对碳化之后的式样结构变化做出总结[1]。

3 结果与讨论

实验选用的原料含有的杂质比较少，并且其理化性能和表1所示。对石墨含量做出改变25%、10%、7%、5%和3%，对不同的铝碳耐火材料展开研究活动，除去25%石墨含有量的式样之外，其余全部的试样都增添1%占比的纳米碳粉，详情见表2。最终的研究结果和对应的讨论内容中包含试样自身的物理性能、抗氧化性、机械性能、显微结构和物相组成。

3.1 致密度

选用的试样体积密度会伴随着石墨含有量逐渐减少而不断变大，造成这种情况的主要原因是氧化铝占比增加的同时石墨含量减少，使用高密度材料对低密度材料进行替换，所以试样自身的体积密度会不断的随着石墨含量占比的减小而上升。

3.2 强度

在实验过程中使用液压压力机进行检测，试样在常温状态下具有的耐压强度会随着石墨的占比增加而不断减小，石墨含量较高时会使其他的耐火材料进行直接结合。全部的含纳米碳试样强度均会伴随着自身的处理温度上升而不断加大，是因为试样具有高表面能的纳米碳会在温度比较低的情况下做出反应，且纳米碳自身的粒径比较小，在缝隙中非常容易发生扩散现象，这就会堵塞一部分气孔，使其强度和密度再次上升。但当温度达到1000摄氏度之后才会接着变小，这种情况产生的主要原因是碳化铝在其形成之后会分解成为碳和氧化铝。

3.3 相分析

根据含有1%纳米碳和含有3%%石墨的试样与25%石墨的实验试样在面对不同温度的热处理工序之后的物相分析结果，含有3%石墨试样结构中的元素主要为石墨和氧化铝，少量的硼酸铝和碳化铝，当温度保持在1000摄氏度和1200摄氏度之间时会产生碳化铝。在这种情况下形成的碳化铝和试样中固有的纳米碳有之间关系。氧化铝细粉和纳米碳进行反应，最终形成碳化铝。因为其具有高表面积，并且纳米碳自身的活性较高，可以有效的促进低温环境中的反应。试样中构成的碳化物可以使其强度得到进一步的发展，但是当温度再一次升高至1400摄氏度与1600摄氏度之间时，碳化物相又会再度消失，分解成为碳和氧化铝。碳化铝的分解作用会使1400摄氏度到1600摄氏度的式样强度和密度再度减小[2]。

25%石墨试样仅仅包含石墨和氧化铝，并且没有发现硼酸铝和碳化铝。实验中的氧化铝细粉需要在实验试样中保持较低标准，同时不添加纳米碳，所以这样的环境下难以形成硼酸铝和碳化铝。因为石墨的含有量比较高，这就会使其他成分的结合有所降低，这就会对其强度的发展造成非常不利的影响。和其他类型的试样相对比，25%石墨试样具有的强度值相对较低。

3.4 抗氧化性

将3%石墨+1%纳米碳和25%石墨试样具有的抗氧化性做出对比，热处理环境的温度分别控制在1000摄氏度、1200摄氏度、1400摄氏度以及1600摄氏度之间，保温时长为3小时，最终的实验结果如图1和图2所示。

与此同时在对实验选取的外壳密度进行测量，明确外壳密度。含有25%石墨的实验试样具有的密度值非常低，并且其结构也会比较疏松，这代表其自身的气孔高，主要原因为石墨氧化量较高，试样的氧化层既薄且脆，当试样进行氧化作用之后缺少足够的强度。在此之外，结构中含有纳米碳的实验试样碳化物相的产生又会对阻止氧化行为产生助力作用。试样的氧化率详情见表3。

4 结语

综上所述，在此次实验中得出的结论有以下几点：①试样中含有的石墨比例不断增加，使得试样体积密度不断下降，这种情况产生的主要原因就是氧化铝所占比例过低，高密度材料被低密度材料代替。②和其他的试样进行对比，石墨占比高的试样强度会比较弱，伴随着石墨比例的不断上升，强度会逐渐减小。③当处理温度达到1200℃时，带有纳米碳的试样强度会逐渐上升，并且在碳含量较低时也能够形成碳化物相。④试样中含有25%的石墨会具有更加良好的抗氧化性，但是其结构会比较疏松，并且在其发生氧化作用之后就会失去应有的强度。

【参考文献】

【1】廖宁，李亚伟，桑绍柏，等.纳米炭黑和鳞片石墨对低碳铝碳材料性能的影响[J].耐火材料，2015（01）：6-12.

【2】贺莲花.石墨表面的水泥基纳米涂层对铝质耐火复合材料抗侵蚀性能影响的深度研究[J].耐火与石灰，2017，42（03）：41-48.

【作者简介】陈佳（1991-），男，湖北广水人，助理工程师，从事炼钢用耐火材料的生产组织、质量控制和使用情况跟踪研究。