葛勝濤,程 峰,畢玉保,李賽賽,譚 操,王軍凱,張海軍

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,武漢 ４３００８１)

摘 要:以ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體替代鱗片石墨,在４７３K 固化１２h制備 ZrB２ＧSiC/MgOＧC 耐火材料,并分別在１３７３,１６７３K 進(jìn)行了熱處理,研究了復(fù)合粉體添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)在０~４．０％)對該耐火材料物理性能、力學(xué)性能和抗熱震性能的影響.結(jié)果表明:隨復(fù)合粉體添加量的增加,固化后和熱處理后耐火材料的常溫抗折強度和耐壓強度均先增后降,熱處理溫度對常溫物理和力學(xué)性能的影響很小;１６７３K 熱處理后耐火材料的高溫抗折強度均隨復(fù)合粉體添加量的增加先增后降;１６７３K 熱處理后耐火材料在測試溫度低于６７３K 時主要發(fā)生彈性變形,在測試溫度不低于６７３K時則發(fā)生塑性變形;以ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體替代石墨能較大幅度地提高耐火材料在氧化氣氛下的抗熱震性能.

關(guān)鍵詞:ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體;低碳鎂碳耐火材料;高溫性能

０ 引 言

鎂碳(MgOＧC)耐火材料具有優(yōu)良的抗渣侵蝕性和抗熔渣滲透性,常被用作轉(zhuǎn)爐、電爐、精煉爐等的爐襯材料[１Ｇ３].隨著低碳鋼及純凈鋼等材料及其冶煉新技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)鎂碳耐火材料因碳元素含量較高,作為爐襯材料使用時易導(dǎo)致鋼液增碳而污染鋼材,且其較高的熱導(dǎo)率也會導(dǎo)致較高的熱損耗,以致難以滿足二次精煉的工藝要求;此外,耐火材料中碳氧化后會產(chǎn)生 CO２ 氣體,導(dǎo)致溫室效應(yīng)[４Ｇ５].

因此,鎂碳耐火材料的低碳化成為國內(nèi)外的研究熱點之一[６].然而,單純降低鎂碳耐火材料的碳含量,會顯著降低其抗熱震性能和抗渣侵蝕性能[７Ｇ９].

ZrB２ 具有與石墨類似的物理化學(xué)性質(zhì),如熔點高(３０４０ ℃)、熱膨脹系數(shù)低、耐腐蝕性能優(yōu)良,以及與熔渣不潤濕等[１０],因此有望替代石墨應(yīng)用于耐火材料中.但ZrB２ 在高溫下易氧化,導(dǎo)致所制備的耐火材料疏松多孔[１１].已有研究表明,在 ZrB２ 中添加適量SiC后,在高溫氧化條件下ZrB２ 表面會形成一層不易揮發(fā)的硼硅酸鹽玻璃相,從而顯著提高ZrB２ 的高溫抗氧化性能[１２].基于此,作者采用ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體替代部分石墨制備了 ZrB２ＧSiC/MgOＧC 復(fù)合低碳耐火材料,研究了ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體添加量對該耐火材料常溫和高溫性能的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

試驗原料:電熔鎂砂(骨料和細(xì)粉),化學(xué)組成見表１,骨料的粒徑分別為５~３ mm,３~１ mm,１~０mm,細(xì)粉的粒徑不大于８８μm,由遼寧省大石橋市新型電熔鎂砂廠提供;天然鱗片石墨,粒徑不大于１５０μm,由武漢海濤建材提供;金屬鋁粉,粒徑不大于７５μm,由洛陽發(fā)現(xiàn)者鋁業(yè)有限公司提供;ZrB２粉體,粒徑不大于７５μm,由上海水田材料科技有限公司提供;SiC 粉體,粒徑不大于７５μm,由山東金蒙新材料有限公司提供;工業(yè)級熱固性酚醛樹脂,由武漢力發(fā)化工有限責(zé)任公司提供.

按照ZrB２ 與SiC質(zhì)量比為８∶２進(jìn)行配料,混合 球磨４h得到ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體.按照表２中的配 比分別稱取原料,將鎂砂骨料干混３~５ min,加入 酚醛樹脂(總添加量的２/３)混合５~８min,再加入 石墨和ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體混合３~５min,最后加入 鎂砂細(xì)粉以及剩余的酚醛樹脂混合８~１０min;使用 油壓機(jī)在１５０MPa壓力下將混合粉體壓制成尺寸為 ２５mm×２５mm×１４０mm 的坯體,將坯體在３８３K 保溫６h干燥,在４７３K 保溫１２h固化,得到復(fù)合耐 火材料試樣.將復(fù)合耐火材料試樣在埋碳?xì)夥障逻M(jìn) 行熱處理,溫度分別為１３７３,１６７３K,保溫時間３h.

１．２ 試驗方法

用卡尺測量熱處理前后試樣的長度,計算線收縮率,計算公式為δ＝[(lg －ls)/lg]×１００％ (１)

式中:δ 為線收縮率;lg 為熱處理前試樣的長度;ls為熱處理后試樣的長度.

按照 GB/T２９９７－２０１５,應(yīng) 用 阿 基 米 德 排 水法測試 樣 的 顯 氣 孔 率 與 體 積 密 度. 按 照 GB/T３００１－２０００,使用 DKZＧ６００型常溫抗折測試儀測試固化 和 熱 處 理 后 復(fù) 合 耐 火 材 料 的 常 溫 抗 折 強度,試樣 尺 寸 為 １４０ mm×２５ mm×２５ mm;按照GB/T５０７２．２－２００４,使用 LMＧ０２型萬能壓力試驗機(jī)測耐壓強度,試樣尺寸為２０mm×２０mm×２０mm.按照 GB/T３００２－２００４,使用 HMOR 型高溫抗折儀測試經(jīng)１６７３K 保溫３h熱處理后試樣的高溫抗折強度,采用埋碳?xì)夥?測試溫度分別為４７３,６７３,８７３,１０７３,１２７３,１４７３,１６７３K;使用 HMORＧstress/strain型示差高溫應(yīng)力應(yīng)變試驗機(jī),應(yīng)用三點彎曲試樣遞增溫度法測試載荷Ｇ位移關(guān)系,循環(huán)載

荷為５０N→５００N→５０ N,測試溫度分別為 ２９８,４７３,６７３ ,８７３,１０７３,１２７３,１４７３,１６７３K.按照YB/T３７６．２Ｇ１９９５,將經(jīng)１６７３K 保溫３h熱處理的試樣放入加熱爐內(nèi),在埋碳?xì)夥蘸脱趸瘹夥障录訜嶂?/span>待測溫度(分別為８７３,１０７３,１２７３,１３７３,１４７３K)并保溫３０min后,在空氣氣氛下一次風(fēng)冷(此為一次熱循環(huán)),使用 DKZＧ６００型常溫抗折測試儀測其抗折強度,將熱震前后抗折強度的比值記為抗折強度保持率,以其高低來表征抗熱震性能的優(yōu)劣.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 對常溫性能的影響

由圖１ 可 以 看 出:隨 著 ZrB２ＧSiC 復(fù) 合 粉 體 添加量的增加,固 化 后 及 不 同 溫 度 熱 處 理 后 試 樣 的顯氣孔率 均 先 緩 慢 下 降,當(dāng) ZrB２ＧSiC 復(fù) 合 粉 體 添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下 同)由 ３．２％ 增 至 ４．０％ 時 又 略有增大,抗 折 強 度 和 耐 壓 強 度 先 增 后 降,當(dāng) ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體添加量為３．２％時達(dá)到最大,分 別 為２５．０,１１１．３ MPa;隨 著 ZrB２ＧSiC 復(fù) 合 粉 體 添 加 量的增加,４７３K 固化后試樣的體積密度呈先降后增再降的變化趨勢,１３７３K 和１６７３K 熱處理后試樣的體 積 密 度 和 線 收 縮 率 呈 先 增 后 降 的 變 化 趨勢;４７３K 固化后試樣的常溫性能優(yōu)于熱處理試樣的,但１３７３,１６７３K 的熱處理溫度對試樣性能的影響很小.

２．２ 對高溫抗折強度的影響

由圖２ 可 以 看 出:在 不 同 ZrB２ＧSiC 復(fù) 合 粉 體添加量下,試 樣 的 抗 折 強 度 均 隨 測 試 溫 度 的 升 高先增后降;隨著 ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體添加量的增加,試樣的高溫抗折強度總體上呈先增后降的變化趨勢,當(dāng) ZrB２ＧSiC復(fù) 合 粉 體 添 加 量 為 ３．２％ 時,高 溫抗折強度 最 大;在 不 同 ZrB２ＧSiC 復(fù) 合 粉 體 添 加 量下,試樣的最 大 高 溫 抗 折 強 度 均 比 其 常 溫 抗 折 強度高約２ MPa.

２．３ 載荷Ｇ位移曲線

由圖３可以看出:當(dāng)測試溫度低于６７３K 時,試樣的變形量較小,卸載后的位移量僅為３１~４０μm,說明試樣主要發(fā)生彈性變形;當(dāng)測試溫度為６７３K及以上時,變形量顯著增大,且在卸載后存在較大的永久變形,位移量不小于１７９μm,說明試樣發(fā)生了塑性變形;當(dāng)溫度為１６７３K 時,試樣因變形程度較大而發(fā)生斷裂.

２．４ 對抗熱震性能的影響

由圖４可以看出:在埋碳?xì)夥蘸脱趸瘹夥障?不同試樣的抗折強度保持率均隨熱震溫度的升高而降低,在氧化氣氛下的下降幅度較在埋碳?xì)夥障碌拇?

這是因為在氧化氣氛中鱗片石墨和 ZrB２ＧSiC 復(fù)合粉體都會發(fā)生氧化,導(dǎo)致試樣結(jié)構(gòu)疏松,強度下降;在埋碳?xì)夥障?隨著ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體添加量的增加,試樣的抗折強度保持率呈下降趨勢,這是因為ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體的增加意味著鱗片石墨的減少,而鱗片石墨具有更低的熱膨脹系數(shù)和更高的熱導(dǎo)率,當(dāng)溫度急劇變化時,其熱膨脹較小且能迅速將熱量傳遞出去,從而降低試樣中的殘余熱應(yīng)力;在氧化氣氛下,當(dāng) ZrB２ＧSiC 復(fù) 合 粉 體 添 加 量 在 ０．８％ ~４．０％時,試樣的抗折強度保持率相差較小,且均高于未添加 ZrB２ＧSiC 復(fù)合粉體試樣的,說明以 ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體替代石墨能提高復(fù)合低碳耐火材料在氧化條件下的抗熱震性能,這是因為與 ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體相比,石墨在高溫下更易氧化.

３ 結(jié) 論

(１)以ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體替代石墨制備了不同復(fù)合粉體添加量的 ZrB２ＧSiC/MgOＧC 耐火材料:隨ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體添加量的增加,固化后耐火材料的顯氣孔率先減小后略有增大,體積密度呈先降后增再降的變化趨勢,固化及熱處理后耐火材料的常溫抗折強度和常溫耐壓強度均先增后降,且固化后的常溫力學(xué)性能優(yōu)于熱處理后的,熱處理溫度對常溫物理和力學(xué)性能的影響很小;當(dāng) ZrB２ＧSiC復(fù)合粉體添加量為３．２％時,固化后耐火材料的顯氣孔率最小,體積密度、常溫抗折強度和常溫耐壓強度最大,熱處理后的體積密度、常溫抗折和耐壓強度也最大.

(２)隨 著 ZrB２ＧSiC 復(fù) 合 粉 體 添 加 量 的 增 加,１６７３K 熱處理后耐火材料的高溫抗折強度呈先增后降的變 化 趨 勢,當(dāng) ZrB２ＧSiC 復(fù) 合 粉 體 添 加 量 為３．２％時,高 溫 抗 折 強 度 均 最 大;當(dāng) 測 試 溫 度 低 于６７３K 時,１６７３K 熱處理后耐火材料主要發(fā)生彈性變形,測試溫度達(dá)到６７３K 及以上時則發(fā)生塑性變形,其斷裂溫度為１６７３K.

(３)在埋碳?xì)夥障?ZrB２ＧSiC 復(fù)合粉體添加量的增加不利于提高 MgOＧC低碳耐火材料的抗熱震性能;在氧化氣氛下,以復(fù)合粉體替代石墨能較大幅度地提高耐火材料的抗熱震性能,當(dāng)復(fù)合粉體添加量為３．２％時,耐火材料在一次熱循環(huán)后的抗折強度保持率最大,為７０％.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料>42卷>10期(pp:67-71)）