[發(fā)明專利]碳化硅結合含碳耐火材料及制備方法

有效

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• 申請日: 2014-03-27
• 公開（公告）號: CN103864446A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設計）人: 馬天飛;王剛;劉國齊;楊文剛;于建賓;錢凡
• 申請（專利權）人: 中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司
• 主分類號: C04B35/66
• 分類號: C04B35/66
• 代理公司: 洛陽明律專利代理事務所 41118
• 代理人: 李路平

技術領域

本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異抗氧化性、高強度的碳化硅結合含碳耐火材料，所述耐火材料主要應用于冶金、鑄造過程中的熔爐內襯與熔融金屬導流、控流器。?

背景技術

在冶金過程中，熔爐內襯與鋼水導流、控流器常常要經受溫度激變，對這些部位所使用的耐火材料要求具有很高的耐熱震性。由于石墨在環(huán)境溫度激變時，可以快速傳導熱量，降低材料內部溫度梯度，減小熱應力，從而保護材料熱震不開裂，所以含石墨耐火材料（簡稱含碳耐火材料）廣泛應用于冶金過程中熱震強烈的部位。

目前含碳耐火材料普遍采用酚醛樹脂做結合劑，高溫燒成后形成玻璃碳結合耐火材料。然而這種玻璃態(tài)的結合碳存在兩項缺點：一是抗氧化性差，酚醛樹脂炭化后形成的玻璃碳從500℃就開始氧化燒蝕，結合碳的氧化會導致材料失去結合力，結構變得疏松，容易剝落或被熔融金屬沖蝕；二是強度低、呈玻璃脆性，在一定的應力存在下，會發(fā)生脆性斷裂。?

針對結合碳的抗氧化性差，一般采用內部摻入抗氧化劑和表面施涂抗氧化涂料來保護含碳耐火材料。所摻入的抗氧化劑一般為比結合碳更易氧化的一些金屬粉末，因為其摻入量有限，所以只能在短時間內發(fā)揮抗氧化作用。熔爐內襯用含碳耐火材料和熔融金屬導流、控流用含碳耐火材料浸沒在熔融金屬中的部位，表面的防氧化涂層受到熔融金屬的溶蝕會逐漸喪失對含碳材料的防氧化保護。一些瀝青浸漬含碳耐火材料，由于表面光滑和使用條件的限制難以涂敷抗氧化涂層，在烘烤時發(fā)生很容易發(fā)生碳結合氧化。?

針對結合碳的低強度和玻璃脆性，一些學者研究了酚醛樹脂與瀝青共用，在高溫形成鑲嵌碳結構以增加結合碳的結合強度；也有一些人在酚醛樹脂中摻入催化劑，高溫催化裂解樹脂，沉積碳纖維來增強結合炭的強度。這些方法中由于可沉積的纖維極少對結合碳的脆性改變較小，強度增加不大。?

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發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)異抗氧化性、高強度的含碳耐火材料，它具有與碳結合相當的耐熱震性能，并在拌合性能和模壓性能方面等同于由酚醛樹脂作粘結劑的含碳耐火材料，并提供這種含碳耐火材料的制備方法。?

一種碳化硅結合含碳耐火材料，所述的含碳耐火材料是以耐火集料和碳素物為主要原料成分，主要特點是使用聚碳硅烷作為結合劑。?

所述的含碳耐火材料包括鋁碳耐火材料、鎂碳耐火材料和鋯碳耐火材料；所述的碳素物為鱗片石墨；鋁碳耐火材料的耐火集料為氧化鋁骨料和氧化鋁粉料，鎂碳耐火材料的集料為氧化鎂骨料和氧化鎂粉料，鋯碳耐火材料的集料為氧化鋯骨料和氧化鋯粉料。?

所述的結合劑聚碳硅烷為主鏈或支鏈上主要含Si和C的、熱解后能得到碳化硅的聚合物，這種有機高分子聚合物對耐火集料和碳素物具有很好的粘結作用，與現用的結合劑酚醛樹脂有同等的拌和性能和模壓性能。聚碳硅烷在950℃以上會裂解為β碳化硅纖維，形成碳化硅纖維結合。?

聚碳硅烷高溫裂解形成的碳化硅纖維在溫度高于800℃時，會在表面生成一層致密的二氧化硅薄膜，隨著高溫氧化時間的延長，這層致密薄膜逐漸增厚，使得氧化變緩，進而阻止進一步氧化，所以碳化硅結合比傳統(tǒng)酚醛樹脂炭化后形成的碳結合具有十分優(yōu)異的抗氧化性能。?

所形成的碳化硅纖維具有非常高的抗拉強度、較高的熱導率和較低的熱膨脹系數。高的拉伸強度可以提高材料的破壞極限應力；高的熱導率可在環(huán)境溫度激變時快速傳導熱量，降低材料內部溫度梯度；低的熱膨脹率不至于在材料內部存在溫度梯度時形成較大的內應力，這三種性能的綜合作用決定著材料的耐熱震性能。表1為傳統(tǒng)酚醛樹脂炭化后形成的玻璃碳和碳化硅纖維的力學和熱學性能，由表1可知：碳化硅纖維具有與傳統(tǒng)酚醛樹脂炭化后形成的玻璃碳相當的熱導率和熱膨脹系數，但碳化硅纖維具有非常高的抗拉強度，所以碳化硅結合含碳耐火材料比傳統(tǒng)碳結合含碳耐火材料具有更高的強度和相當的耐熱震性能，從根本上改變了傳統(tǒng)含碳耐火材料碳結合的抗氧化性差和強度低、呈現脆性的問題。?