热处理对含碳耐火材料的性能影响及机理研究

摘要

含碳耐火材料的成分和工艺决定了使用性能，热处理工艺（固化和烧成）对其性能有重要影响。热处理实质是含碳耐火材料结合剂酚醛树脂发生复杂的物理化学变化，而其余成分在热处理过程中无明显变化。本文研究了热处理对含碳耐火材料的性能影响及其机理，主要通过差示扫描量热法(DSC)、热重-微商热重法(TG-DTG)、红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)等分析了结合剂的热量、质量以及结构变化对含碳耐火材料的性能影响，并对烧成温度进行了优化研究。
　　主要研究内容如下:
　　(1)含碳耐火材料的固化机理
　　固化机理实质是结合剂酚醛树脂的物理化学变化过程。130℃前溶剂吸收热量快速排除，质量快速减小，较小的活化能就能完成超过50％的质量转化率。结合剂在100～110℃逐渐硬化，含碳耐火材料易出现变形。130～200℃间主要发生脱水缩合反应，质量、热量和结构急剧变化，生成亚甲基和醚键，以亚甲基为主，该过程需活化能较高，需缓慢升温。200～250℃间，固化逐渐完全，质量、热量以及结构变化趋于稳定。250～300℃间，质量、热量以及结构几乎恒定，含碳耐火材料固化反应已较完全。
　　(2)烧成对含碳耐火材料性能的影响及机理
　　烧成温度主要影响含碳耐火材料的强度和气孔率。700℃前，含碳耐火材料强度较低约7MPa，气孔率较高约8.7％，这是结合剂酚醛树脂在700℃前的烧成过程中裂解排除大量气体所致。在700～800℃间，强度急剧增加到8.5MPa，气孔率降低到7.8％，这是结合剂急剧收缩所致。800℃后强度较高且变化较小，气孔率较低且变化较小，含碳耐火材料的烧成在该温度段已较完全。
　　烧成温度通过结合剂碳化裂解行为影响含碳耐火材料性能。600℃前，结合剂发生主要裂解反应，放出大量热，排除大量气体使质量快速减小，导致含碳耐火材料的气孔率较高。600～750℃间，热量变化趋于平缓，质量缓慢降低，主要是结合剂的深度裂解，裂解产物在(002)峰与c轴的相关雏晶尺寸Lc缓慢增加从0.72nm到0.84nm，强度和气孔率变化较小。750～800℃间，出现明显吸热，Lc快速增加到0.95nm，裂解产物快速收缩，气孔率降低，强度急剧增加。800～950℃间，质量、热量以及结构变化较小，强度较高，气孔率较低，烧成反应较完全。
　　(3)钢水测温用含碳耐火材料传感器烧成温度优化
　　基于烧成温度对含碳耐火材料常温性能影响及机理研究，将普通950℃烧成钢水连续测温用含碳耐火材料传感器烧成温度调整为800℃。800℃烧成传感器的测温响应表现为持续升温且无波动，响应时间在5min内，与通用测温传感器无明显差别。800℃烧成含碳耐火材料传感器使用寿命与通用测温传感器无明显差别，都在24h左右（SHPC钢种）。从含碳耐火传感器性能考虑，可将含碳耐火材料传感器的烧成温度调整为800℃，这样能降低能耗约20％和提高生产效率约15％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 含碳耐火材料

1．2．1 含碳耐火材料的发展

1．2．2 含碳耐火材料的应用

1．3 含碳耐火材料工艺

1．3．1 含碳耐火材料的混练、干燥和成型

1．3．2 含碳耐火材料热处理

1．3．3 结合剂在热处理中的变化

1．4 含碳耐火材料在钢水测温传感器中的应用

1．4．1 钢水连续测温传感器工作原理

1．4．2 钢水测温传感器对材质要求

1．4．3 热处理对传感器性能的影响

1．5 课题研究的目的、意义及内容

1．5．1 研究目的和意义

1．5．2 研究内容

1．6 课题研究的创新点

第2章 实验原理及方法

2．1 热处理中结合剂的行为变化测试

2．1．1 结合剂的热量变化测试(DSC分析)

2．1．2 结合剂的质量变化测试(TG-DTG分析)

2．1．3 结合剂的有机结构测试(IR分析)

2．1．4 结合剂结构测试(XRD分析)

2．2 含碳耐火材料性能变化测试

2．2．1 抗折强度测试

2．2．2 气孔率测试

2．3 其余测试手段

2．3．1 含碳耐火材料质量测试

2．3．2 含碳耐火材料寿命测试

第3章 含碳耐火材料固化研究

3．1 基于结合剂热量变化的固化研究

3．1．1 实验及数据

3．1．2 结果与讨论

3．1．3 结论

3．2 基于结合剂质量变化的固化研究

3．2．1 实验及数据

3．2．2 结果与讨论

3．2．3 结论

3．3 基于质量变化的固化动力学研究

3．3．1 基于转化率的动力学分析

3．3．2 基于DTG峰值的动力学分析

3．4 基于结合剂结构变化的固化研究

3．4．1 实验及数据

3．4．2 结果与讨论

3．4．3 结论

3．5 基于结合剂物态变化的固化研究

3．5．1 实验及数据

3．5．2 分析与结论

3．6 本章小结

第4章 含碳耐火材料烧成研究

4．1 烧成温度对含碳耐火材料的性能影响

4．1．1 烧成温度对抗折强度的影响

4．1．2 烧成温度对显气孔率的影响

4．2 烧成温度影响含碳耐火材料性能的机理

4．2．1 含碳耐火材料烧成过程中质量变化

4．2．2 结合剂在烧成过程中热量变化研究

4．2．3 结合剂在烧成过程中质量变化研究

4．2．4 烧成温度对结合剂碳化结构的影响

4．2．5 烧成温度对结合剂官能团变化的IR分析

4．3 烧成温度优化研究

4．3．1 烧成温度优化对传感器响应的影响

4．3．2 烧成温度优化对钢水测温传感器寿命的影响

4．3．3 烧成温度优化研究小结

4．4 本章小结

第5章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢