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Al/Si复合Al_2O_3-C材料的高温性能、显微结构及研制

石凯

   由于铝碳材料具有相对较好的高温性能,而广泛应用于连铸功能性耐火材料中,为进一步提高其高温性能,满足洁净钢技术的发展要求,本论文研究了Al/Si复合Al_2O_3-C材料的高温性能及显微结构,包括加热过程物相组成、结构及性能的变化,不同温度的抗折强度和应力—应变关系,Al/Si加入量对高温强度、抗热震性能和抗氧化性能的影响以及显微结构特征的变化。在此基础上,研制了低温烧成、低碳Al/Si结合Al_2O_3-C滑板制品,在大中型钢包上取得了较好的使用效果。 研究了在埋碳加热过程中Al复合Al_2O_3-C材料组成、性能及结构的变化。结果表明:600~800℃的低温阶段,Al熔化,填充空隙,使材料致密,常温和高温强度提高;800~1200℃的中温阶段,随着温度升高Al与C反应生成大量的Al_4C_3,少量的Al与N_2反应生成AlN,Al_4C_3和AlN填充在刚玉骨架结构中,使材料进一步致密,常温和高温抗折强度显著增加。1200~1400℃的高温阶段,Al消失,部分Al_4C_3与N_2反应转化为AlN,AlN和Al_4C_3形成非氧化物结合的结构,起强化作用,使材料的强度进一步提高;1400~1600℃的高温阶段,AlN和Al_4C_3晶体发育长大,使材料保持较高的常温和高温强度,并观察到少量的Al_xCO_yN_z。 研究了Al/Si复合Al_2O_3-C材料在不同温度下的抗折强度和应力—应变关系,结果表明:低温阶段随着温度升高材料的强度降低,中温阶段其强度显著增加,高温阶段材料的强度继续增加,但增加的幅度减小。材料应力—应变关系特征为:低温时即呈现塑性状态,一直到1400℃仍处于塑性变形范围,未观察到粘滞流动现象。 研究了Al/Si加入量对材料高温性能的影响。结果表明:Al从5%增加到11%,材料的高温抗折强度提高,抗热震性能和抗氧化性能得到改善。在8%Al的基础上加入1.5~3%Si,材料的高温抗折强度进一步提高,抗热震性能保持较高水平,抗氧化性能明显改善。 研究了材料的显微结构与性能的关系。结果表明:常温时材料的结合方式是碳结合,低温阶段以金属结合为主,中温阶段Al/Si与C、N_2原位反应生成非氧化物,材料由金属结合逐渐向非氧化物结合转变,高温时形成非氧化物结合,起到增强增韧作用,使材料具有较好的高温机械性能。用分形理论研究了材料中金属铝颗粒低温阶段的形貌变化,结果表明:金属铝颗粒的形貌具有分形特征,可用分形维数来定量描述Al_2O_3-C材料金属结合方式的程度。 根据上述研究结果,采用低温烧成工艺,研制了Al/Si结合Al_2O_3-C滑板制品。该滑板与高温烧成的Al_2O_3-C和Al_2O_3-ZrO_2-C质滑板相比,碳含量低,高温强度高,具有较好的抗热震性和抗氧化性。经大中型钢包的批量使用表明,其连续使用次数高于烧成的Al_2O_3-C滑板,与Al_2O_3-ZrO_2-C滑板相当。用后滑板的扩孔均匀,拉毛较少,裂纹微细。 对Al/Si结合Al_2O_3-C滑板用后的残砖进行了分析研究,结果表明,滑板在使用时的损毁过程是:表面工作层中的非氧化物首先被氧化,导致结构疏松,强度降低,在铸孔处由于高温钢水冲刷引起铸孔扩大,在滑动面处因机械摩擦造成滑动面拉毛。因此该滑板材料今后改进的重点应是提高其抗氧化性及氧化后的强度。用有限元进行了模拟分析,结果表明:滑板在使用过程中产生的热应力主要决定于其初始温度,根据应力分布情况可以优化滑板结构。……   
[关键词]:Al_2O_3-C材料;高温性能;显微结构;Al/Si结合;非氧化物结合
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:郑州大学2007年