Al-Si復合Al-,2-O-,3--C材料的高溫性能、顯微結構及研制.pdf

1、由于鋁碳材料具有相對較好的高溫性能，而廣泛應用于連鑄功能性耐火材料中，為進一步提高其高溫性能，滿足潔凈鋼技術的發(fā)展要求，本論文研究了Al/Si復合Al<,2>O<,3>-C材料的高溫性能及顯微結構，包括加熱過程物相組成、結構及性能的變化，不同溫度的抗折強度和應力-應變關系，Al/Si加入量對高溫強度、抗熱震性能和抗氧化性能的影響以及顯微結構特征的變化。在此基礎上，研制了低溫燒成、低碳Al/Si結合Al<,2>O<,3>-C滑板制品，在大

2、中型鋼包上取得了較好的使用效果。 研究了在埋碳加熱過程中Al復合Al<,2>O<,3>-C材料組成、性能及結構的變化。結果表明：600～800℃的低溫階段，Al熔化，填充空隙，使材料致密，常溫和高溫強度提高；800～1200℃的中溫階段，隨著溫度升高Al與C反應生成大量的Al<,4>C<,3>，少量的Al與N<,2>反應生成AlN，Al<,4>C<,3>和AIN填充在剛玉骨架結構中，使材料進一步致密，常溫和高溫抗折強度顯著增加。

3、1200～1400℃的高溫階段，Al消失，部分Al<,4>C<,3>與N<,2>反應轉(zhuǎn)化為AlN，AlN和Al<,4>C<,3>形成非氧化物結合的結構，起強化作用，使材料的強度進一步提高；1400～1600℃的高溫階段，AlN和Al<,4>C<,3>晶體發(fā)育長大，使材料保持較高的常溫和高溫強度，并觀察到少量的Al<,x>CO<,y>N<,z>。 研究了Al/Si復合Al<,2>O<,3>-C材料在不同溫度下的抗折強度和應力-應變

4、關系，結果表明：低溫階段隨著溫度升高材料的強度降低，中溫階段其強度顯著增加，高溫階段材料的強度繼續(xù)增加，但增加的幅度減小。材料應力-應變關系特征為：低溫時即呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，一直到1400℃仍處于塑性變形范圍，未觀察到粘滯流動現(xiàn)象。 研究了Al/Si加入量對材料高溫性能的影響。結果表明：Al從5％增加到11％，材料的高溫抗折強度提高，抗熱震性能和抗氧化性能得到改善。在8％Al的基礎上加入1.5～3％Si，材料的高溫抗折強度進一步提高

5、，抗熱震性能保持較高水平，抗氧化性能明顯改善。 研究了材料的顯微結構與性能的關系。結果表明：常溫時材料的結合方式是碳結合，低溫階段以金屬結合為主，中溫階段Al/Si與C、N<,2>原位反應生成非氧化物，材料由金屬結合逐漸向非氧化物結合轉(zhuǎn)變，高溫時形成非氧化物結合，起到增強增韌作用，使材料具有較好的高溫機械性能。用分形理論研究了材料中金屬鋁顆粒低溫階段的形貌變化，結果表明：金屬鋁顆粒的形貌具有分形特征，可用分形維數(shù)來定量描述Al<

6、,2>O<,3>-C材料金屬結合方式的程度。根據(jù)上述研究結果，采用低溫燒成工藝，研制了Al/Si結合Al<,2>O<,3>-C滑板制品。該滑板與高溫燒成的Al<,2>O<,3>-C和Al<,2>O<,3>-ZrO<,2>-C質(zhì)滑板相比，碳含量低，高溫強度高，具有較好的抗熱震性和抗氧化性。經(jīng)大中型鋼包的批量使用表明，其連續(xù)使用次數(shù)高于燒成的Al<,2>O<,3>-C滑板，與Al<,2>O<,3>-ZrO<,2>-C滑板相當。用后滑板的擴孔

7、均勻，拉毛較少，裂紋微細。 對Al/Si結合Al<,2>O<,3>-C滑板用后的殘磚進行了分析研究，結果表明，滑板在使用時的損毀過程是：表面工作層中的非氧化物首先被氧化，導致結構疏松，強度降低，在鑄孔處由于高溫鋼水沖刷引起鑄孔擴大，在滑動面處因機械摩擦造成滑動面拉毛。因此該滑板材料今后改進的重點應是提高其抗氧化性及氧化后的強度。用有限元進行了模擬分析，結果表明：滑板在使用過程中產(chǎn)生的熱應力主要決定于其初始溫度，根據(jù)應力分布情況可