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ZrO_2-氮化物复合粉体的制备及对Al_2O_3-C耐火制品性能影响初探

张萌萌

  因连铸用含碳耐火材料在洁净钢生产中对钢水有明显的增碳作用,因此,洁净钢生产用耐火材料正向低碳化和无碳化发展。但Al_2O_3-C质耐火材料之所以具有优良的热震稳定性和抗侵蚀性能,主要是因为材料内的碳起到了很大作用。因此,降低Al_2O_3-C质耐火材料的碳含量后如何保证抗热震性的不下降是目前的研究热点。为此,本课题拟采取在Al_2O_3-C质耐火材料中同时引入ZrO_2和氮化物的思路,尝试开发洁净钢冶炼用低碳Al_2O_3-C质耐火材料。 针对以纯ZrO_2和氮化物为原料制备的ZrO_2-氮化物粉体存在难以混合均匀,资源利用率低等不足,本课题提出了用天然原料锆英石通过碳热还原氮化技术制备ZrO_2-氮化物复合粉体的思路。在对锆英石碳热还原氮化反应进行热力学分析的基础上,以锆英石细粉(-320目)为原料,高纯N_2(99.999%)为氮源,系统研究了碳源、配碳量、反应温度、保温时间、成型压力、氮气流量、以及混料时间等变量对锆英石碳热还原氮化反应的影响。然后在氮气气氛下用碳热还原氮化法批量合成了ZrO_2-氮化物复合粉体,研究了ZrO_2-氮化物复合粉体加入量对Al_2O_3-C质耐火材料性能的影响。 热力学分析表明:锆英石碳热还原氮化反应时,产物相的稳定存在区域及反应开始温度与炉内的CO分压和N_2分压相关。通过控制反应温度、炉内的CO分压和N_2分压,可以获得组成不同的复合材料。随着炉内CO分压的降低和N_2分压的升高,锆英石碳热还原氮化反应的开始温度逐渐降低。 影响因素研究表明:碳源对反应进程影响显著,其中活性炭最有利于反应的进行。配碳量不仅影响产物相的组成,配碳量增加还会降低反应的开始温度。反应温度对产物相的影响显著;配碳量相同(22%)时,随着反应温度的升高,产物相中锆英石相和m-ZrO_2含量减少,ZrN含量不断增加,而Zr_7N_8O_4先增加后减少。混料时间、氮气流量和成型压力越对物相组成影响不大,混料时间越长、氮气流量越大、成型压力越小越有利于反应的进行。 批量合成的ZrO_2-氮化物复合粉体中m-ZrO_2和氮化物的相对含量分别为30%和70%,其中氮化物的物相组成主要有:Zr_7O_8N_4(30%)、Si_2N_2O(20-30%),此外还有少量的ZrN(5%)和β-Si3N4(3%)。加入复合粉体后,Al_2O_3-C质耐火材料试样的抗氧化性和热震稳定性得到了显著提高,但试样的热态抗折强度有所降低。随着复合粉体加入量的增加,试样的永久线变化率、体积密度、显气孔率、常温耐压强度、常温抗折强度都得到了不同程度的改善,且当复合粉体加入量为5%时达到最优。 本工作的开展,可望为低碳Al_2O_3-C耐火材料的开发提供依据,为洁净钢用低碳耐火材料提供新思路。……   
[关键词]:ZrO_2-氮化物复合粉体;碳热还原氮化法;影响因素;Al_2O_3-C质耐火材料;抗氧化性;热震稳定性
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:河南科技大学2011年
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