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金属复合低碳镁铝碳材料高温性能的研究

作 者: 任桢
导 师: 钟香崇;马成良
学 校: 郑州大学
专 业: 材料学
关键词: 低碳 MgO-Al2O3-C材料 热机械性 抗氧化性 抗渣性
分类号: TQ175.71
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


洁净钢的发展对钢包用耐火材料提出了更高要求。碱性耐火材料有益于钢水质量,研究金属复合超低碳MgO-Al2O3-C材料有现实意义。以电熔镁砂、电熔镁铝尖晶石、铝粉、硅粉、锌粉及鳞片石墨为主要原料,制备了金属Al/Si(5-8%)和Al/Zn(6-8%)复合低碳MgO-Al2O3-C两大系列试样,研究内容主要包括:金属Al/Si和Al/Zn复合低碳MgO-Al2O3-C材料的高温抗折强度、热震稳定性、抗氧化性抗渣性能,同时借助XRD、SEM、EDAX分析了物相组成和显微结构,结果表明:1)在低碳MgO-Al2O3-C材料中加入Al/Si和Al/Zn可以显著提高试样的高温抗折强度(1400℃),从3.0MPa提高到了23.0-32.5MPa;强度提高最多的是试样ASC2(4.5%Al,2.5%Si)和A6Z1(6%Al,1%Zn)。在加入4.5%Al/Si的基础上再加入SiAlON(1.5-4.5%)时,试样的高温抗折强度有一定提高,从11.5MPa提高到19.6MPa;强度提高最多是试样ASN1(1.5%SiAlON)。2)在低碳MgO-Al2O3-C材料中加入金属Al/Si和Al/Zn对试样的抗热震性(△T=1100℃,风冷1次)有明显改善。热震后的残余强度保持率从60%提高到61-79%。在加入4.5%Al/Si的基础上再加入1.5-4.5%SiAlON后,残余强度保持率有较大提高(81-94%)。加入Al/Zn,残余强度保持率显著提高。加入1-2%Zn时,残余强度保持率最佳,高达93-97%。3)加入Al/Si和Al/Zn能提高低碳MgO-Al2O3-C材料的热机械性能的原因为:Al、Si和Zn在埋碳加热过程中与C和N2反应,原位生成了Al4C3、AlN、SiC等非氧化物,填充在方镁石/尖晶石骨架结构中,并在高温时形成了非氧化物结合,起着增强增韧的作用。外加的SiAlON增加了非氧化物的数量,对提高材料的抗热震性起到了一定的补充作用。4)在低碳MgO-Al2O3-C材料中加入金属Al/Si和Al/Zn可以显著改善材料的抗氧化性。1000℃×3h氧化后,加入4.5%Al,试样的氧化层厚度为5.6mm。在此基础上再加入1.5-3.5%Si,氧化层厚度下降至2.9-3.4mm;加入1-2%Zn的试样抗氧化效果尤为显著,氧化层厚度降至0.5-1.4mm。试样经1500℃×3h氧化后,氧化层厚度变化规律与1000℃的一致,但氧化层厚度更薄。如试样AS2(4.5%Al,2.5%Si)氧化层厚度为1.2mm,试样A4Z4(4.5%Al,2%Zn),氧化层厚度小于0.1mm。加入Al/Si和Al/Zn能改善材料抗氧化性的原因是:加入的Al、Si和Zn在氧化条件下生成的氧化产物(Al2O3、SiO2和ZnO)与MgO相互反应,生成了尖晶石(镁铝尖晶石和锌铝尖晶石)和镁橄榄石,形成致密的氧化保护层,减缓了氧气的渗入。1500℃形成的尖晶石和镁橄榄石较多,而1000℃时只生成较少的尖晶石,因而1500℃的抗氧化性比1000℃的好。5)在低碳MgO-Al2O3-C材料中加入Al/Si和Al/Zn对材料在的1600℃×3h抗渣性有显著提高。加入Al/Si,试样的渣蚀厚度从4.8mm降到1.2-1.9mm。在加入4.5%Al/Si的基础上再加入SiAlON(1.5-4.5%)时,渣蚀厚度从1.9mm降到1.0mm。加入Al/Zn(1-2%Zn)时,试样的抗渣性提高最明显,渣蚀厚度降至0.6-1.4mm。加入Al/Si和Al/Zn能改善材料抗渣性的原因为:由于试样中原位生成的非氧化物对熔渣难润湿,能很好的抗渣侵蚀;渣蚀过程为非氧化物先被氧化后被侵蚀,非氧化物被氧化后生成了致密的尖晶石与镁橄榄石氧化保护层能减缓渣的侵蚀。综上所述,金属Al/Si和Al/Zn复合低碳MgO-Al2O3-C材料在碳含量降到5%乃至3%以下时,仍具有优良的热机械性能和良好的抗氧化性、抗渣性,可以期望在洁净钢连铸用钢包包衬上有很好的应用前景。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
1 文献综述  9-25
  1.1 引言  9-10
  1.2 钢包包衬部位用耐火材料的发展  10-13
    1.2.1 SiO_2-Al_2O_3质钢包衬耐火材料  10-11
    1.2.2 Al_2O_3-MA质钢包衬耐火材料  11
    1.2.3 铝镁(碳)质耐火材料  11-12
    1.2.4 MgO-CaO系耐火材料  12
    1.2.5 MgO-MA系耐火材料  12-13
  1.3 钢包包衬部位用耐火材料的工作环境  13-14
  1.4 钢包包衬部位用耐火材料的蚀损机制  14-15
  1.5 镁质及镁铝质耐火材料  15-22
    1.5.1 镁质耐火材料  15-19
    1.5.2 镁铝尖品石质耐火材料  19-21
    1.5.3 镁质耐火材料对钢水的影响  21-22
  1.6 金属在耐火材料中的作用  22-25
    1.6.1 抗氧化剂  22
    1.6.2 Si复合耐火材料  22-23
    1.6.3 Al/Si复合耐火材料  23-24
    1.6.4 Al/Zn复合耐火材料  24-25
2 实验  25-32
  2.1 实验原料  25
  2.2 实验设计  25-28
    2.2.1 复合加入Al/Si系列试样  26-27
    2.2.2 复合加入Al/Zn系列试样  27-28
  2.3 试样制备  28
  2.4 检测项目  28-29
  2.5 试样的常温物理性能  29-32
    2.5.1 实验方法  29-30
    2.5.2 结果与讨论  30-32
3 Al/Si和Al/Zn复合低碳MgO-Al_2O_3-C材料的高温机械性能的研究  32-45
  3.1 Al/Si和Al/Zn复合低碳MgO-Al_2O_3-C材料的高温抗折强度研究  33-36
    3.1.1 实验方法  33-34
    3.1.2 结果与讨论  34-36
  3.2 Al/Si和Al/Zn复合低碳MgO-Al_2O_3-C材料的热震稳定性研究  36-41
    3.2.1 实验方法  38
    3.2.2 结果与讨论  38-41
      3.2.2.1 AS系列试样的热震稳定性研究  38-40
      3.2.2.2 AZ系列试样的热震稳定性研究  40-41
  3.3 物相组成分析  41-42
  3.4 显微结构分析  42-44
  3.5 本章小结  44-45
4 Al/Si和Al/Zn复合低碳MgO-Al_2O_3-C材料的抗氧化性研究  45-57
  4.1 实验方法  45
  4.2 结果与讨论  45-52
    4.2.1 AS系列试样的抗氧化性研究  45-49
    4.2.2 AZ系列试样的抗氧化性研究  49-52
  4.3 物相组成分析  52-53
  4.4 显微结构分析  53-55
  4.5 本章小结  55-57
5 Al/Si和Al/Zn复合低碳MgO-Al_2O_3-C材料的抗渣性研究  57-64
  5.1 实验方法  57-58
  5.2 结果与讨论  58-62
    5.2.1 AS系列试样的抗渣性研究  58-60
    5.2.2 AZ系列试样的抗渣性研究  60-62
  5.3 物相组成分析  62
  5.4 显微结构分析  62
  5.5 本章小结  62-64
6 展望  64-65
7 结论  65-67
参考文献  67-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 耐火材料工业 > 耐火材料制品 > 各种成分的耐火材料
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