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新型炭素材料对滑板性能的影响

来源:佟晓军,张刚,佟 新,黄丽香,华政法,何家梅 |浏览:|评论:0条   [收藏] [评论]

新型炭素材料对滑板性能的影响

佟晓军1,张刚2,佟 1,黄丽香1,华政法1,何家梅1

(1.鞍钢集团耐火材料公司,辽宁鞍山1140212.鞍钢集团科技质量部,辽宁鞍山114021)

要:通过对超细石墨、纳米炭黑等滑板用新型炭素材料的实验研究,发现不同粒度的石墨对铝锫碳滑板的热震稳定性影响不同;纳米级炭黑对滑板的成型性能、抗氧化性能、热处理后βSiC的生成量等都能产生很大的影响。选择超细石墨和粒度为2630nm的炭黑按照一定比例添加制成的新型滑板使用效果很好。

关键词:滑板;石墨;炭黑;性能

中图分类号:TF065 文献标识码:A 文章编号:10064613(2009)06003703

 铝锆碳滑板、铝碳滑板、镁尖晶石碳滑板都是主要的碳复合耐火材料。炭素材料是制造滑板的关键材料,直接影响滑板的混练、成型、烧成等工序,以及滑板的抗氧化性、热震稳定性等,从而影响滑板的使用寿命。因此,合理选择炭素材料对提高滑板的使用寿命具有重要意义。

1 炭素的种类

 炭素材料大致可以分为传统炭素材料和新型炭素材料两大类。传统炭素材料包括晶质石墨和无定形碳两大类;新型炭素材料包括高纯石墨、柔性石墨、细结构石墨及超细石墨、中间相炭微球、胶体石墨、纳米炭黑等。本文选择传统鳞片石墨和新型炭素材料进行试验研究。

2 用于滑板中的炭素材料的选择

21石墨

211石墨的性质和选择

 石墨具有典型的层状结构,其导热性、导电性、热膨胀系数等物理性能都呈各向异性,与钢液难润湿,具有良好的抗侵蚀性能。由于石墨的导热系数大,热膨胀系数和弹性模量小,添加到滑板中能克服一般氧化物材料断裂韧性差的缺点,能提高滑板的抗热震性能。

  传统的鳞片石墨(晶质石墨)由于其片状结构在高压成型时组织中出现鳞片折断、扭曲变形和沿层面(0001)开裂的现象,因此,大片状结晶石墨的纯度虽高,但效果不如细粒石墨好[1]

 由于基质中有足够的微粉,细小的石墨片扭折时也能与耐火材料微粉紧密地挤压在一起,将片状石墨开裂造成结构疏松的影响降至最低,所以选择细结构石墨和超细石墨作试验。

212石墨对滑板性能的影响

  (1)试样的制备

  试验采用板状刚玉、锆莫来石作主要原料,添加传统石墨、细结构石墨和超细石墨,微粉和防氧化剂,以热固性酚醛树脂为结合剂。

 试验用主要原料的化学组成见表1,石墨配料见表2S1S53种石墨的5个不同配比。

  在高速混练机上进行混练,在800 t摩擦压砖机上成型406型滑板。成型后,滑板经干燥、烧成,最高烧成温度达1 500℃。

  (2)滑板的物理性能检验结果

  对不同石墨配比制成的滑板进行物理性能检验,结果见表3。由表3可以看出,除了体积密度相差无几外,其他指标综合评价S3最好。

  这是因为超细石墨比表面积大,均匀分散在滑板中,有利于发挥其导热系数大、热膨胀系数和弹性模量小的优点,由于鳞片细小,易于成型和烧结,明显提高滑板的常温和高温性能,所以在原料中加入5%超细石墨的滑板热震稳定性最好。

22炭黑

221炭黑的性质和选择

  炭黑(无定形碳)是由碳氢化合物通过不完全燃烧或热裂解制得的。炭黑的粒径处于细小的纳米和亚微米范围,更容易填充滑板的微小空隙,提高滑板的体积密度,从而提高其使用性能。

  炭黑的自然堆积密度(无外力作用下粉状或颗粒状材料堆积状态的单位体积的质量)可以作为其向滑板中添加的依据之一。滑板中的纳米级(颗粒直径<100 nm)炭黑在烧结过程中能与金属硅粉发生反应原位生成βSiC晶须,具有低密度、高熔点、高强度、高弹性模量、低热膨胀系数及耐侵蚀等优良特性,另外,这种晶须的强度高、长径比大,可以充分发挥裂纹桥联以及裂纹偏移的作用,有利于提高滑板的强度和抗热震性能。

222炭黑对滑板性能的影响

  (1)试样的制备

  采用板状刚玉作主要原料,添加炭黑、Si粉和有机复合结合剂。配料后在小型混练机中混合,在液压机上以400 kN的压力压制成函50 mm×50 mm的试样,共6个方案,每个方案成型3个试样,分三批试验,每批试样编号为l#6#。表46个试验方案的炭黑粒度及其对应的自然堆积密度。试样经干燥后,第一、二批试样在电炉中经1450℃和1550℃埋碳还原气氛下烧成;第三批试样在电炉中经1 450℃氧化气氛下烧成。对烧成后的试样进行物理化学检验。

  (2)炭黑对滑板成型性能的影响

  从成型后试样的厚度及状态判断成型性能,优劣排序为:3#4#5#6#2#1#。从成型性能分析看,一定范围加人量的炭黑粒度不影响成型性能。但炭黑加入量过多会造成成型困难,无法保证砖坯体积密度。

  (3)炭黑对滑板烧成工序的影响

  将第一、二批试样放人匣钵中,在埋碳还原气氛下烧成,最高温度分别达l 450℃和l 550℃,保温3 hl450℃烧后取出试样,清净碳粉观察发现,1#2#试样表面出现程度不同的网纹,轻重排序为:1#>2#;经过1 450℃和1 550℃烧后的3#4#5#6#试样均没有发现裂纹。分析烧后试样发现,l#2#试样SiC含量呈递增趋势,3#4#5#6#SiC含量只是l#2#的一半,而且随烧成温度的升高,SiC含量也随之增加,见表5

  由表5可见,生成过多的SiC是导致裂纹产生的主要原因。

 (4)炭黑对滑板抗氧化性的影响

 将第三批试样放入电炉中,在氧化气氛下进行l 450℃×3 h热处理。冷却后将试样横剖开,观察其氧化情况发现,在6个试样的体积密度达到一定值时,其抗氧化性均达到使用要求。

223分析与讨论

  纳米炭黑由于粒度极小,在烧结过程中与金属硅粉反应生成βSiC,粒度越细小的炭黑生成的βSiC晶须质量越好,越利于改善滑板的孔径分布,提高滑板的热震稳定性和抗侵蚀性[3]。综合成型性能、烧成裂纹情况等,粒度为2630 nm的炭黑综合性能最好,适合滑板使用。

3 超细石墨和纳米炭黑的应用效果

  选择超细石墨和粒度为2630 nm的炭黑按照一定比例添加制成新型滑板,应用到鞍钢股份有限公司第一炼钢厂连铸钢包上。滑板使用后铸孔边缘整齐,无倒棱现象;滑板表面裂纹细小且浅;舌形区及止滑区无氧化、拉毛及剥落现象。

  1为新型滑板使用后的情况。使用4次后的滑板扩孔仍小于规定的80 mm,使用寿命比传统滑板提高一次,很好地满足了钢包连铸的要求。

4 结论

  (1)添加超细石墨的滑板易于成型和烧结,滑板的常温和高温性能明显地得到提高。

  (2)炭黑加入量必须控制在一定范围内,其粒度才不影响成型性能。炭黑加入量过多会造成成型困难,无法保证砖坯体积密度。

  (3)无论粒度大小,炭黑和硅粉的加入量过多,烧后都会出现裂纹。当两者加人量低于一定值后,即使提高烧成温度也不会有裂纹产生。

  (4)粒度为2630 nm的炭黑综合性能最好,最适合滑板使用。

  (5)新型滑板在鞍钢股份有限公司第一炼钢厂连铸钢包上使用,取得很好的效果,使用寿命比传统滑板提高一次。

参考文献

[1]高振晰,平增福.耐火材料显微结构[M].北京:冶金工业出版社,2002227250

[2] 邵荣丹,张文杰,顾华志,等.超细碳素原料对A12O3ZrO2C材料性能及微孔结构的影响[J].耐火材料,200539(5)330332

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