碳含量对Al2O3-C耐火材料性能的影响

肖长江，李娟，栗正新

（河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 450001）

碳含量对Al2O3-C耐火材料性能的影响

肖长江，李娟，栗正新

（河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 450001）

在刚玉中加入含量为10%、15%、20%和25%的石墨，以Si粉为抗氧化剂，热固性5405树脂为结合剂并加入乌洛托品作为固化剂，烧结得到了Al2O3-C耐火材料，并研究了不同含碳量对样品力学性能的影响。实验研究表明：当含碳量为10%、15%、20%和25%时，样品的密度分别为2.68 g/cm3、2.63 g/cm3、2.59 g/cm3和2.56 g/cm3；样品的抗折强度分别为7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa；样品的耐压强度分别为38.46 MPa、36.92 MPa、33.85 MPa和32.69 MPa。即随着含碳量增加，材料的力学性能会随之降低。

Al2O3-C耐火材料；碳含量；抗折强度；耐压强度

1 前言

Al2O3-C耐火材料是指以刚玉材料与石墨为主体原料，加入Si粉和Al粉等作为抗氧化剂，并以树脂为结合剂，在适当烧结工艺下烧结而成的一类用途广泛的耐火材料。由于其具有高强度、高耐火度、耐腐蚀性好和抗热震性强等特点，而被广泛应用于炼钢连铸系统。它分为不烧铝碳质耐火材料和烧成铝碳质耐火材料，主要用于连铸系统中的滑板、长水口及塞棒等，是现代炼钢系统中不可或缺的一种优质耐火材料制品[1,2]。近年来，随着连铸、炉外精炼及洁净钢等炼钢新技术发展，不仅对耐火材料的使用性能提出了更高的要求，而且还要求耐火材料的含碳量进一步降低，以避免钢液增碳，影响钢的质量[3,4]。因此，在保证含碳耐火材料高性能的基础上，低碳化成为其发展趋势[5,6]。

本文以刚玉为主体原料，以Si粉和SiC粉为抗氧化剂，热固性5405树脂为结合剂，并加入乌洛托品作为固化剂，同时加入10%、15%、20%、25%的石墨，采用埋碳环境烧结Al2O3-C耐火材料，来研究不同含碳量对样品力学性能的影响。

2 实验内容

2.1 实验原料

本实验采用刚玉原料和石墨原料为主体原料，加入研磨后的SiC和Si粉作为抗氧化剂，利用5405树脂作为结合剂，并添加乌托作为树脂固化剂，同时设计了四种不同含碳量（10%、15%、20%、25%）的原料，来研究不同含碳量对样品力学性能的影响。其具体的配方如表1所示。

2.2 实验步骤

首先，将称量好的原料在混料机中进行混料，将混合好的原料进行干燥并控制挥发分在1%左右；然后将干燥好的原料装入模具中进行等静压成型制成样块；其次，将样块再次进行干燥后，在埋碳气氛下的马弗炉中进行烧结得到样品。烧结温度为900℃，保温时间为3 h。由于需要完成4种不同配方试样的抗折强度、耐压强度、体积密度和显气孔率的测试，需制备条形试样（规格为：25 mm× 25 mm×125 mm）四块和方形试样 (规格为：25 mm×25 mm×25 mm)四块（受成型条件所限，方形试样为条形试样利用切割机切割并打磨而成），并取平均值。

2.3 实验表征

本实验采用阿基米德排水法测量试样的致密度；采用三点弯曲法在In–stron5585型材料万能试验机测量抗弯强度；在YAW-300D型全自动压力机测试耐压强度。

表1 Al2O3-C耐火材料试样配方（wt%）

3 结果分析与讨论

图1为试样密度与含碳量的关系。

图1 试样密度与含碳量关系图

从图1中可以看出，试样密度随着碳含量的增加而降低。当碳含量为10%、15%、20%和25%时，样品的密度为2.68 g/cm3、2.63 g/cm3、2.59 g/cm3和2.56 g/cm3。造成此结果的原因主要在于原料中刚玉的密度大于石墨密度[8]。石墨量的不断升高，导致刚玉量不断降低，致使密度成下降趋势。

图2为试样抗折强度与含碳量的关系。

从图2中可以看出，试样抗折强度同样随着碳含量的增加而降低。当碳含量为10%、15%、20%和25%时，样品的抗折强度为 7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa。由上述数据，可以做出以下分析，铝碳耐火材料的常温抗折强度与其原料中含碳量有很大的关系。这是由于本实验所选用的石墨为鳞片石墨 （石墨-895和石墨-195），在混料，压制和烧成过程中，石墨与刚玉材料之间的堆积无法按照层状堆积的方式进行堆积，导致压制过程中，孔隙的出现使材料的空间架构并不十分稳固，造成抗折强度在石墨含量较高时逐渐变低。从另一方面解释，铝碳耐火材料具有高强度的原因，也是由于氧化铝自身性质的因素，由于碳含量的增高，相应氧化铝含量会逐渐下降，强度也随之下降。

图2 试样抗折强度与含碳量关系图

图3为试样耐压强度与含碳量的关系。

图3 试样耐压强度与含碳量关系图

从图3中可以看出，试样耐压强度同样随着碳含量的增加而降低。当碳含量为10%、15%、20%和25%时，样品的耐压强度分别为38.46 MPa、36.92 MPa、33.85 MPa和32.69 MPa。这与其抗折强度降低的原因大致相同。

4 结论

用埋碳的方法，在刚玉中加入含量为10%、15%、20%和25%的石墨，以Si粉为抗氧化剂，热固性5405树脂为结合剂，并加入乌洛托品作为固化剂，烧结得到了Al2O3-C耐火材料。实验研究表明：随着含碳量增加，力学性能会随之降低。当含碳量为10%、15%、20%和25%时，样品的密度分别为2.68 g/cm3、2.63 g/cm3、2.59 g/cm3和2.56 g/ cm3；样品的抗折强度分别为7.74 MPa、7.36 MPa、6.49 MPa和6.04 MPa；样品的耐压强度分别为38.46 MPa、36.92 MPa、33.85 MPa和32.69 MPa。

[1]Khanna R,Spink J,Sahajwalla V.Role of ash impurities in the depletion of carbon from alumina-graphite mixtures into liquid iron[J].ISIJ International,2007,47(2):282-288.

[2]宋希文,章军,郭贵宝,等.Al2O3-C耐火材料的性能研究[J].包头钢铁学院学报，2000，6：111-114.

[3]李享成,潘剑波,朱伯铨.石墨含量对Al2O3-C材料物理化学性能的影响[J].硅酸盐通报,2010,29(2)：395-398.

[4]刘广华,姚金甫,田守信.Al2O3-C耐火材料抗氧化性研究进展[J].耐火材料,2011,45(2)：137-140.

[5]王志强，朱伯铨，方斌祥,等.不同粒度的鳞片石墨对低碳镁碳耐火材料性能的影响[J].材料导报,2008,22(9)：139-141.

[6]Christos G A，Roungos V，Steffen D，M Emmel，具有优良抗热震性的可服务于低碳经济的耐火材料[J].耐火材料,2013,47(4)：250-253.