含Ti3AlC2和Si氧化物-非氧化物復(fù)合耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)演變與性能研究.pdf

1、含碳耐火材料和Si3N4結(jié)合SiC是非氧化物在耐火行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的兩個(gè)體系。含碳材料作為主要的耐火材料在鋼鐵冶煉中使用多年，但仍然有許多問題沒有解決;如對(duì)鋼水的增碳問題在低碳超低碳鋼冶煉中更加嚴(yán)重，低碳耐火材料使用壽命短等問題仍待解決。而在Si3N4結(jié)合SiC耐火材料生產(chǎn)中，由于試樣外層的Si首先被氮化生成Si3N4，導(dǎo)致試樣外層致密化抑制了N2向試樣內(nèi)部進(jìn)一步的滲透;最終形成了試樣外層Si3N4為結(jié)合相，內(nèi)層為Si結(jié)合碳化硅的“框架

2、結(jié)構(gòu)”。
　　在Ti3AlC2的結(jié)構(gòu)，合成方式以及應(yīng)用等方面已進(jìn)行了一系列研究。但將其應(yīng)用于Al2O3-Si-C耐火材料中部分取代石墨制備低碳耐火材料尚未見報(bào)道;本工作利用Ti3AlC2逐步取代鋁碳耐火材料中的石墨，制備低碳鋁碳耐火材料;并研究Ti3AlC2在埋碳環(huán)境中結(jié)構(gòu)演變，及其對(duì)低碳鋁碳耐火材料力學(xué)性能特別是抗熱震性能的影響;進(jìn)一步探究不同侵蝕條件下Ti3AlC2對(duì)Al2O3-Ti3AlC2-Si-C耐火材料侵蝕界面的影響，

3、揭示Ti3AlC2的蝕變過程并提出了Ti3AlC2影響鋁碳耐火材料侵蝕性能的機(jī)理。此外，借鑒Al2O3-C耐火材料中Si-C反應(yīng)原位生成陶瓷結(jié)合相增強(qiáng)試樣高溫強(qiáng)度的思路，在試樣基質(zhì)中引入合適碳源，在埋碳/氮化氣氛下熱處理，通過將試樣基質(zhì)中的Si轉(zhuǎn)化為氮化物/碳化物，最終優(yōu)化SiC基耐火材料的結(jié)合體系與顯微結(jié)構(gòu);系統(tǒng)討論了碳源、熱處理氣氛條件以及添加劑等因素對(duì)氮化程度、基質(zhì)相貌和骨料/基質(zhì)界面的影響;在此基礎(chǔ)上研究了顯微結(jié)構(gòu)與試樣力學(xué)性能

4、的相關(guān)性。研究結(jié)果表明:
　　(1)埋碳的熱處理環(huán)境下，Ti3AlC2中的Al元素的空位遷移以及與CO的反應(yīng)過程降低了Ti3AlC2熱穩(wěn)定性;而在Al2O3-Ti3AlC2-C耐火材料中，由于Ti3AlC2在高溫下一系列的反應(yīng)與分解，促進(jìn)了柱狀A(yù)l2TiO5、SiAlON和Al-Si-C-O晶須等一系列陶瓷增韌結(jié)合相形成;提高了試樣的結(jié)合強(qiáng)度。最終當(dāng)試樣中石墨含量從10wt％降至4wt％時(shí)，由于新的結(jié)合相生成，特別是Al2TiO5

5、相生成，有效抑制了試樣抗熱震性能的急劇下降。
　　(2)在傳統(tǒng)鋁碳耐火材料侵蝕過程中，渣的滲透-熔解侵蝕-內(nèi)層石墨氧化-氧化物/碳的復(fù)合結(jié)構(gòu)消失-渣的再滲透，這一循環(huán)步驟持續(xù)地發(fā)生導(dǎo)致耐火材料熔損。利用Ti3AlC2部分取代試樣中石墨制備低碳鋁碳耐火材料后，在侵蝕界面上形成一層CaAl2Si2O8-xAl2O3·yTiO2隔離層，抑制了上述熔損過程的持續(xù)發(fā)生;隔離層通過抑制氧化氣體和侵蝕介質(zhì)向界面內(nèi)部的滲透導(dǎo)致脫碳層的消失;同時(shí)A

6、l2O3-TiO2固溶相吸收渣中的Fe2O3和MnO，進(jìn)一步抑制了渣的滲透能力。所以利用Ti3AlC2部分取代石墨制備低碳鋁碳耐火材料后，雖然石墨含量降低，但實(shí)驗(yàn)室侵蝕結(jié)果顯示其抗侵蝕能力反而有顯著的提高。
　　(3)在溫度梯度和渣濃度梯度存在的侵蝕條件下，在渣侵蝕過程中Ti3AlC2自身的蝕變是一個(gè)分解-熔解-析出連續(xù)的過程。在反應(yīng)層中Ti3AlC2是一個(gè)持續(xù)的逐步蝕變過程;有效的抑制了基質(zhì)中石墨的快速氧化，也抑制了碳/氧化物高

7、抗侵蝕復(fù)合結(jié)構(gòu)的快速消失;有效提高了試樣的抗侵蝕能力。而在渣層中Ti3AlC2分解的TiO2相促進(jìn)CA6高熔點(diǎn)相形成，也抑制了渣的進(jìn)一步滲透。
　　(4)借鑒碳復(fù)合耐火材料中Si-C反應(yīng)和埋碳燒結(jié)環(huán)境成功制備了自反應(yīng)結(jié)合SiC耐火材料。在SiC骨料/基質(zhì)界面上形成一層SiCxOy結(jié)合相有效提高了試樣的結(jié)合強(qiáng)度;而添加硅鐵合金能夠有效促進(jìn)試樣的致密化;此外，硅鐵合金通過氣-固-液機(jī)理催化形成Si3N4晶須，提高試樣的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)添