h-BN在耐火材料和冶金用高温陶瓷中的应用进展.pdf
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1、 耐火材料 :在耐火材料和冶金用高温陶瓷中的应用进展贺远航)钱 凡)郭海荣)李化龙)路 跃)刘国齐)李红霞)中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 先进耐火材料国家重点实验室河南洛阳 )江苏省沙钢钢铁研究院有限公司江苏苏州 摘要:具有优异的抗热震性和化学稳定性,具有类石墨层状结构,在冶金、化工、电子等领域应用广泛。综述了 在耐火材料中的研究应用情况,包括 对耐火材料抗热震性、抗氧化性和抗渣性的改善,以及对耐火材料烧结性的影响;概述了热压烧结 复合材料在钢铁冶金关键部件的应用及其力学性能、抗热震性、抗氧化性和抗钢液侵蚀性的改善措施;指出了 在耐火材料及冶金用高温陶瓷应用中存在的问题。关键词:;石墨;
2、抗热震性;抗氧化性;抗渣性;抗钢液侵蚀性中图分类号:文献标识码:文章编号:():具有类石墨层状晶体结构,层内 、原子通过强的共价键连接,层间通过弱的范德华力连接,在冶金、化工、电子等领域应用广泛 。在本文中,主要综述了 作为添加剂或复合相在耐火材料中的应用,作为主原料在钢铁冶金关键部件用热压烧结 基复合材料中的应用。在耐火材料中的应用 改善耐火材料的抗热震性 等 采用水淬法(热震 次)评价了不同含量 (质量分数分别为 、和 )的 耐火材料的抗热震性,结果表明,随着 含量的增加,试样热震后的抗折强度保持率增大。借助楔形劈裂试验发现,的引入改变了材料的裂纹扩展行为,片晶会引起基体中的裂纹偏转或裂纹
3、沿着骨料和基体之间的界面扩展,提高材料的抗热震性。等 采用油淬法(热震 次)研究了不同含量 (质量分数分别为 、和 )的 复合材料的抗热震性。结果表明,随着 含量的增加,试样热震后的抗折强度保持率逐渐提高,观察热震后试样的显微结构发现,在不含 的试样中存在三种类型的裂纹:基质内部裂纹()、骨料 基质界面裂纹()和骨料内部裂纹(),而在添加 的材料中未观察到裂纹 和 ,并且添加 ()的试样中 的数量较少。丁成栋等 研究了 添加量(质量分数为 、和 )对低水泥刚玉质浇注料抗热震性的影响,结果表明,随着 添加量的增加,热震后试样的抗折强度保持率逐渐提高。的引入能够提高耐火材料的抗热震性:首先,热膨胀
4、系数小、热导率高、弹性模量小,本身具有优异的抗热震性;其次,的各向异性会导致材料制备过程中存在微裂纹;最后,独特的片状晶结构能够阻碍裂纹的扩展,自身可以被看作裂纹或缺陷,但与普通裂纹不同,它能表现出一系列的能量吸收机制,如裂纹偏转和裂纹桥接等。改善耐火材料的抗氧化性 作为抗氧化剂在含碳耐火材料中应用较多,如 材料、()浇注料等。遇龙等 以电熔镁砂细粉、用后镁碳砖细粉、微粉和石墨为原料,酚醛树脂作为结合剂,分别添加质量分数为 、的 制备了镁基含碳耐火材料。结果表明,随着 添加量的增加,试样的氧化面积普遍减小。,年 月第 卷 第 期 国家重点研发计划项目()。贺远航:男,年生,硕士研究生。:通信作
5、者:刘国齐,男,年生,正高级工程师。:收稿日期:编辑:张子英 :耐火材料 等 研究了 对 材料抗氧化性的影响,结果表明,添加 ()试样的氧化层比不含 试样的更厚、更致密。黄健等 以 均质矾土颗粒、颗粒和细粉、白刚玉细粉、微粉、铝酸钙水泥、球状沥青和 微粉为主要原料,添加 制备了 浇注料,研究了 加入量(加入质量分数分别为 、和 )对 浇注料抗氧化性的影响。结果表明,随着 添加量的增加,试样的氧化面积和氧化指数(氧化面积 剖面面积)减小,抗氧化性提高。杨松等 以电熔棕刚玉颗粒、白刚玉粉、微粉、微粉、铝酸盐水泥为主要原料,添加 制备了 浇注料,研究了 (加入质量分数分别为 、和 )对 浇注料抗氧化
6、性的影响。结果表明,随着 添加量的增加,脱碳层逐渐减少,但是 添加量超过 ()导致需水量增大,高温强度下降,线变化率增加,抗氧化性变化不明显。牛世程等 以 、粉为主要原料反应烧结制备了 复合材料,研究了不同 含量(质量分数分别为 、和 )的复合材料在 空气气氛下的抗氧化性。结果表明,复合材料试样的抗氧化性显著优于 试样的,随着 含量的增加,试样氧化后的显气孔率降低,强度变化减小,质量增加率减小,抗氧化性提高。对耐火材料抗氧化性的改善主要体现在:与 反应生成 液相,与 等一起形成玻璃相,覆盖在材料表面,阻止 进入材料内部,而且 能够与基体材料如 、等形成低熔点硼酸盐相,堵塞材料中的气孔,抑制空气
7、交换。同时生成的 增加了材料内闭口气孔的气压,进一步阻碍了氧的扩散,避免了材料的进一步氧化。改善耐火材料的抗渣性赵顺等 研究了 加入量(质量分数分别为、和 )对 质浇注料在空气和埋焦炭条件下在 保温 时抗渣性的影响。结果表明,在埋焦炭条件下 不被氧化,其对熔渣有良好的不润湿性,的存在能够抑制渣的进一步渗透,使试样具有更好的抗渣性。在空气条件下,当 添加量为 ()时试样的侵蚀指数和渗透指数下降,抗渣性得到改善,当 添加量超过()时试样的抗渣侵蚀性有下降的趋势。黄健等 研究了 添加量(加入质量分数分别为 、和 )对均质矾土基 浇注料抗渣性的影响。结果表明,随着 添加量的增加,试样的侵蚀面积和侵蚀指
8、数逐渐减小,但 粉加入量()从 增大到 时其侵蚀面积和侵蚀指数变化不大。的引入能够改善耐火材料的抗渣性:首先,具有优异的化学惰性,与大部分熔渣不润湿、不反应,本身具有优异的抗渣性;其次,的氧化产物 在渣侵蚀过程中能够改善耐火材料的显微结构,主要通过液相 的促烧作用进一步提高材料的致密度,同时 会与基体材料如 反应生成硼酸铝(),硼酸铝以片状编织结构或短纤维条状结构存在,能够抑制裂纹的扩展,进而减少渣渗透通道,而且 还会以玻璃相的形式存在于晶粒之间,大大降低晶界界面能,增大二面角,熔渣更难渗透进入晶界中。但是 的过量添加会导致其对材料致密度的负面影响占据主要作用,并且 过量的氧化产物也对抗渣性产
9、生负面影响,这将导致抗渣性下降。的直接添加不利耐火材料的烧结性能赵海雷等 发现锆刚玉莫来石 复合材料的相对密度随着 加入量的增加而降低,当以 为助烧剂时不含 试样的相对密度为 ,添加 ()试样的相对密度降至 。等 发现添加 ()粗颗粒 ()和细颗粒 ()的 陶瓷试样的体积密度、抗折强度和杨氏模量均小于纯 试样的,并且添加细颗粒 试样综合性能明显优于添加粗颗粒 试样的。在耐火材料基体中引入 一定程度上能够改善材料的抗热震性、抗氧化性和抗渣性,但 的烧结性很差,直接添加对材料的烧结性能不利,特别是添加量较高时。除了直接添加 ,前驱体渗透热解法和反应烧结法引入 对材料的烧结性影响较小。等 以 、为主
10、要原料,为烧结助剂,和 ()作为 的前驱体,采用前驱体渗透热解法()结合无压烧结制备了 复合材料,该复合材料具有与无压烧结 相当的显气孔率和体积密度,引入的 不会阻碍材料的烧结和致密化,的良好烧结性来自 引入的 的均匀分布,通过 引 入 ,与 相 比,制 备 的 具有高强度和优异的抗热震性。第 期贺远航,等:在耐火材料和冶金用高温陶瓷中的应用进展 年 月 耐火材料 :在钢铁冶金用高温陶瓷中的应用 热压烧结 基复合材料在钢铁冶金关键部件中的应用以 为主相,采用热压烧结制备 基复合材料,主要应用于钢铁冶金领域的关键部件,如薄带连铸用侧封板、非晶制带用喷嘴和水平连铸用分离环等。侧封板作为双辊薄带连铸
11、技术的关键部件之一,它的功能是与铸辊配合形成熔池防止钢水侧漏。由于侧封板受到钢水的热冲击和腐蚀,它的损毁制约着双辊薄带连铸技术的发展 ,热压烧结制备的 复合材料作为侧封板得到了广泛应用。非晶薄带具有优异的磁性、耐蚀性、耐磨性和高的强度等,当前非晶带材的生产主要采用单辊快淬法,熔融金属从喷嘴包的喷缝处流出,在冷却辊上快速冷却、凝固,得到 厚的非晶带材 ,因此,喷嘴是非晶带材生产过程中的关键部件。廖宁等 用 ()的 、()的 、()的碳酸钙和余量的氧化锆先冷压成型再热压烧结制备了 基喷嘴耐火材料。分离环是水平连铸工艺的关键部件之一,它位于中间包水口和结晶器的接合处,钢水从中间包流经水口、分离环到结
12、晶器,分离环处于钢水的熔融区和凝固区之间,起铸时经受约 左右的钢水的热冲击,连铸过程中承受大量钢水的熔蚀、冲刷和磨损 ,水平连铸用分离环也是以 为主料,添加辅料(、等)及少量的添加剂(稀土、赛隆等)热压烧结制备而成。钢铁冶金关键部件用热压烧结 基复合材料性能的改善纯相 材料具有良好的抗热震性和可加工性,但是难以烧结致密化,力学性能、抗氧化性和抗侵蚀性均不能满足要求,通常需要与 、等氧化物和 、等非氧化物复合改善其综合性能 。由于 特殊的层状晶体结构,在烧结过程中会形成卡片房式结构,而热压烧结的外加驱动力能够打破 的卡片房式结构,显著促进 晶粒的移动和重排,热压烧结是目前制备 基复合材料的主要方
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