AlON陶瓷结合相对Al2O3-C耐火材料高温性能的影响

摘要

Al2O3-C耐火材料被广泛用于冶金连铸工艺,如浸入式水口,塞棒以及滑板等,起到防止钢液散流,减小夹杂物进入以及避免钢液氧化等作用。目前Al2O3-C耐火材料存在的主要问题是使用寿命短以及对钢水的潜在增碳行为。针对上述问题,本论文研究了铝碳耐火材料中氧氮化铝陶瓷结合相的演变规律和显微形貌特征,同时研究了其对材料高温性能的影响规律。
　　从热力学角度研究了Al-Si-O-C-N体系内的物相反应,在弱还原气氛下,SiC相和AlN相都在1473K时生成,AlON相则在1846K时生成。对Al2O3-C材料的细粉基质结构的研究表明,在1773K热处理温度下金属硅发生碳化反应生成SiC,而金属铝和AlN分别发生氧化反应生成Al2O3;当温度升高到1873K时,Al2O3又与AlN进一步反应生成AlON。红外光谱的结果表明;1773K热处理后的试样没有Al-O-N键的吸收峰,而1873K热处理后的试样有明显的Al-O-N键吸收峰;两个热处理温度下都有Si-C键吸收峰位的存在。从显微形貌上看,SiC是以晶须的形式存在,顶端有液滴;AlON相在材料中是以颗粒状的形貌存在。AlON的生成将基质材料的耐压强度从70.4MPa提高到99.8MPa,热震后的残余强度从62.1MPa提高到80.9MPa。
　　研究了Al2O3-C耐火材料制品中陶瓷结合相的组成、显微形貌以及力学性能。结果表明:在1473K的热处理温度下试样中有SiC晶须生成,金属Al反应生成了短片状AlN;在1673K℃的热处理温度下试样SiC和AlN的衍射峰增强,在1600℃的热处理温度下AlN的峰消失,其与Al2O3反应生成了AlON,这与热力学计算的结果相符。随着AlON陶瓷结合相的生成,材料的耐压强度从104.03MPa提高到120.54MPa,材料的高温抗折强度从15.07MPa增加到22.64MPa,两次热震后的耐压强度由78.48MPa增加到93.36MPa。
　　研究了AlON含量对铝碳耐火材料物相构成、显微形貌和力学性能的影响。结果表明:不添加AlN的试样在1873K的热处理温度下有少量的AlON生成;随着AlN量的增多,生成的AlON量也增大;AlON在体系中是以颗粒的形貌存在。随着AlON生成量的增加,1873K处理后试样的冷态耐压强度从79.53MPa增加到102.93MPa,冷态抗折强度从14.56MPa增加到20.54MPa,两次热震后的残余强度从63.58MPa增加到94.27MPa,试样在1673K×0.5h时的高温抗折强度从14.67MPa增加到22.71MPa。

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第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 Al2O3-C耐火材料的原料

1.3 Al2O3-C耐火材料使用的部位

1.4 Al2O3-C耐火材料的损毁机理

1.5 Al2O3-C耐火材料中的陶瓷增强相

1.6 陶瓷晶须

1.7 几种陶瓷结合相

1.8 AlON的发现

1.9 AlON的制备方法

1.10 AlON对材料性能的影响

1.11 课题研究目的、意义及主要内容

第二章 试验的研究过程、设备及工艺

2.1 引言

2.2 试验用原料及设备

2.3 Al2O3-C耐火材料的基质研究试验配比

2.4 Al2O3-C耐火材料的基质研究试验工艺

2.5 Al2O3-C耐火材料的制品研究试验的配比

2.6 Al2O3-C耐火材料的制品研究试验的工艺研究

2.7 试样性能检测和表征

第三章 对Al-Si-O-C-N体系热力学计算

3.1 引言

3.2 亚晶格固溶体公式模型的探讨：

3.3 Al5O6N、Al11O15N的标准吉布斯自由能计算结果

3.4 反应的吉布斯自由能的算法

3.5 生成Al5O6N的计算

3.6 生成SiC的热力学计算

3.7 Al-O-C-N体系优势图

3.8 Si-O-N-C体系的热力学计算

3.9 Si-Al-O-N-C体系的热力学计算

3.10 小结

第四章 Al2O3-C耐火材料的基质研究

4.1 实验过程

4.2 热力学的计算和评估

4.3 热处理温度以及添加剂的量对物相的影响

4.4 热处理温度以及添加剂的量对红外光谱的影响

4.5 热处理温度以及添加剂的量对试样显微形貌的影响

4.6 反应过程分析

4.7 试样的力学性能

4.8 AlON颗粒对材料力学性能增强示意图

4.9 小结

第五章 热处理温度对Al2O3-C耐火材料制品的影响

5.1 实验工艺

5.2 实验的检测手段

5.3 热处理温度对物相演变的影响

5.4 热处理温度对红外光谱的影响

5.5 热处理温度对显微形貌的影响

5.6热处理温度对力学性能的影响

5.7 小结

第六章 AlON含量对Al2O3-C耐火材料制品性能的影响

6.1 不同AlON含量试样物相的演化

6.2 不同AlON含量试样红外光谱的演化

6.3 不同AlON含量试样显微形貌的演化

6.4 不同AlON含量试样的力学性能

6.5 小结

第七章 结论

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间发表的论文及专利