鎂碳耐火材料組成、結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究.pdf

1、鎂碳耐火材料因具有優(yōu)異的抗熱震性和抗高溫熔渣侵蝕能力而廣泛用于轉(zhuǎn)爐、電爐、精煉爐內(nèi)襯以及鋼包渣線等部位，對(duì)鋼鐵工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮了舉足輕重的作用。隨著高效率、低成本鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展以及節(jié)能降耗的要求，鎂碳耐火材料中的碳含量必須得到有效的控制并使其具有優(yōu)異的綜合使用性能。首先，目前使用比較苛刻的部位仍采用碳含量在12 wt％以上的高碳鎂碳耐火材料，需要進(jìn)一步提高其使用性能以達(dá)到高效、長(zhǎng)壽的目的;其次，為了滿足低碳鋼及超低碳鋼冶煉的要求，

2、研究開(kāi)發(fā)低碳鎂碳耐火材料（碳含量低于8 wt％）甚至超低碳鎂碳耐火材料（碳含量低于3 wt％）的工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通常，采用單純?cè)黾渔V碳耐火材料中的鱗片石墨含量來(lái)提高材料的抗熱震性，但其抗氧化性面臨挑戰(zhàn)且由于材料成型過(guò)程中鱗片石墨的取向性導(dǎo)致材料的各向異性更趨突出;此外，往往采用引入添加劑的方式來(lái)提高鎂碳耐火材料的強(qiáng)度，但同時(shí)造成材料韌性和抗熱沖擊能力的下降;同時(shí)以往評(píng)價(jià)鎂碳耐火材料抗熱震性的好壞，一般僅通過(guò)冷熱循環(huán)后測(cè)定材料的殘

3、余強(qiáng)度和計(jì)算強(qiáng)度保持率。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本論文研究工作包括:首先研究鎂碳耐火材料力學(xué)性能與鱗片石墨含量的關(guān)系，揭示鱗片石墨組分對(duì)材料抗熱震性的作用機(jī)理，為下一步開(kāi)發(fā)具有不同碳含量的高性能鎂碳耐火材料提供比較和參考;然后以引入10 wt％石墨的鎂碳耐火材料為研究對(duì)象，利用顆粒狀石墨取代鱗片石墨，降低鱗片石墨在材料中的取向性，研究碳源顆粒形狀與鎂碳耐火材料力學(xué)性能和抗熱震性的關(guān)系，為優(yōu)化碳含量在12 wt％以上的高碳鎂碳耐火材料提

4、供理論指導(dǎo);進(jìn)而進(jìn)一步制備低碳鎂碳耐火材料（碳含量低于8 wt％），利用納米碳的尺寸效應(yīng)，通過(guò)引入納米碳部分取代鱗片石墨，系統(tǒng)地研究氧化石墨烯等納米碳對(duì)鎂碳耐火材料顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及抗熱震性的影響，并與鎂碳耐火材料（含5 wt％石墨）相比較，揭示納米碳與原位形成陶瓷相協(xié)同強(qiáng)韌化機(jī)制;在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在鎂碳耐火材料中引入負(fù)載含鎳催化劑的氧化鎂細(xì)粉，研究金屬鋁粉和單質(zhì)硅粉等添加劑對(duì)制備超低碳鎂碳耐火材料（碳含量低于3wt％）的顯微結(jié)構(gòu)和力

5、學(xué)性能的影響，進(jìn)一步探明催化劑對(duì)鎂碳耐火材料基質(zhì)中催化形成納米碳和陶瓷相的影響及其形成機(jī)理;最后為了科學(xué)定量地評(píng)價(jià)鎂碳耐火材料的抗熱震性，采用楔形劈裂測(cè)試、分形理論和斷口顯微學(xué)方法系統(tǒng)研究了材料的斷裂行為和抗裂紋擴(kuò)展能力，探討了材料抗熱震性與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
　　通過(guò)上述的研究工作，可以得到如下主要結(jié)論:
　　1.鎂碳耐火材料制備過(guò)程中以鱗片石墨為碳源，隨著材料中鱗片石墨含量的增加，材料中碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸增強(qiáng)，材料因鱗片石墨具

6、有很好的滑移性，其在斷裂時(shí)的最大位移量逐漸變大，當(dāng)鎂碳耐火材料中引入最大含量18 wt％鱗片石墨時(shí)，材料熱震后的強(qiáng)度保持率最高;經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟛牧蟽?nèi)部原位形成Al4C3、 AlN、MgAl2O4和SiC等陶瓷相，與1000℃處理相比，經(jīng)1400℃處理的材料內(nèi)有更多陶瓷相的形成，提高了材料強(qiáng)度，但材料的最大斷裂位移量有所下降。
　　2.鎂碳耐火材料制備過(guò)程中以顆粒狀石墨取代鱗片狀石墨，顯著地降低了鱗片石墨在材料中的取向性，材料的熱導(dǎo)

7、率和熱膨脹系數(shù)的各向異性降低，材料的斷裂位移明顯增加，含顆粒狀石墨的鎂碳耐火材料（10 wt％石墨）的抗熱震性接近于甚至優(yōu)于鱗片石墨含量為14 wt％的鎂碳耐火材料。
　　3.鎂碳耐火材料制備過(guò)程中以納米炭黑、碳納米管、氧化石墨烯和膨脹石墨等納米碳源部分取代鱗片石墨，納米碳源的引入促進(jìn)了高溫下材料內(nèi)部原位形成更多的碳化鋁和氮化鋁等陶瓷相，賦予了鎂碳耐火材料更加優(yōu)良的力學(xué)性能，含納米碳源的鎂碳耐火材料均比相同碳含量的鎂碳耐火材料（5

8、 wt％石墨）具有更優(yōu)異的抗熱震性，含碳納米管和納米炭黑的鎂碳耐火材料擁有更高的殘余抗折強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度比，接近于鱗片石墨含量為10 wt％的鎂碳耐火材料。
　　4.鎂碳耐火材料制備過(guò)程中引入含鎳催化劑，通過(guò)金屬鋁粉和單質(zhì)硅粉的添加控制材料內(nèi)部氣氛，促進(jìn)了氧化鎂、鎂鋁尖晶石等晶須和碳納米管、碳洋蔥等的形成，賦予了材料更優(yōu)異的力學(xué)性能和抗熱震性。與分別單獨(dú)添加金屬鋁粉和單質(zhì)硅粉的鎂碳耐火材料相比，復(fù)合添加上述兩種添加劑的材料中因形成更

9、多的晶須狀陶瓷相如碳化硅晶須、中空的尖晶石晶須等，使材料具有更優(yōu)的力學(xué)性能和抗熱震性。
　　5.楔形劈裂測(cè)試、分形理論和斷口顯微學(xué)方法證實(shí)在鎂碳耐火材料中引入納米碳源，增加了材料斷裂過(guò)程中內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的曲折性，導(dǎo)致材料比斷裂能、特征長(zhǎng)度和抗熱震穩(wěn)定因子的增大，從而改善了材料的抗熱震性，其中含碳納米管的鎂碳耐火材料具有最優(yōu)的抗熱震性。相關(guān)性分析顯示鎂碳耐火材料的抗熱震性與材料的比斷裂能和界面裂紋擴(kuò)展存在正相關(guān)性，而與材料的彈性模量、