宋安康 张萧丹
青岛正望钢水控制股份有限公司 266000
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摘要：铝碳材料作为不同于一般材料，具有耐火度高、化学性质稳定等优良的特点，因此被大量应用于工业冶炼中。而碳铝材料的热震性决定了碳铝材料在现实应用中的实际效果。本文通过调研分析，介绍了几种影响碳铝材料热震稳定性的影响因素。
关键字：铝碳材料 热震稳定性 分析 因素
一．铝碳材料及热稳定性概述
1.1铝碳材料
铝碳质特种材料指的是以氧化铝和碳素为基础原料，并根据其使用环境背景下掺杂其他原料：例如碳化硅、硅单质、铝等杂质制成的复合型新型材料。从泛意上来看，以氧化铝和碳为主要成分的材料统称为铝碳材料。
1.2 铝碳材料的用途
按照碳铝材料的加工工艺的不同类型，可以将铝碳质材料分为两型——不烧铝碳质材料和烧成铝碳质材料。铝碳材料的耐火度高，化学性质稳定，耐腐蚀的技术特性。其中碳铝材料中若含有三氧化二铝的掺杂比例为72%-85%、碳元素的掺杂比例为7%-8%的烧成铝碳砖的耐压强度可达110-120MPa，在1400℃的条件边可以实现抗弯强度达到25MPa；而含有三氧化二铝的掺杂比例为35%-46%、碳以及碳化硅的掺杂比例为30%-37%的烧成铝碳砖的耐压强度为21-28MPa。铝碳主要用于工业冶炼中的滑动水口滑板、连铸中间包整体塞棒等，同时也可以作为铁水处理包衬和盛钢桶的衬底等。或者通过掺杂其他比例的杂质可以实现其不同的化学性能，例如于不同炉熔高铝的炉腰、炉腹、冷却壁铝砖等部位。铝碳材料被大量用于冶金、化工等行业中。
二．工业炼钢中使用碳铝材料的优势
2.1可以提高炉中的空气及煤气的预热温度
通过碳铝材料制成的冶炼炉中的空气预热温度的平均温度水平在1050℃,煤气预热温度的平均水平为967℃,大大要比传统加热炉的燃料预热温度高出很多。其原因主要是因为蓄热室对余热几乎实现了全部的回收，并且使得烟气中的余热也得到了充分的吸收和利用——因此使得原本无法利用的热量也得到了充分的利用，在实现更大程度上的经济效益的情况下并节省了人工成本。在该过程中空气、煤气的高温预热可以使燃烧发生自发反应，因此不仅使得火焰的稳定性得到确保，而且提高了炉内温度的整体均匀性。同时因为烟气得到了充分利用使得排放温度得到了有效控制从而降低了对大气的污染。
2.2 整体炉体结构更为简单便捷化
使用该材料制成的蓄热式加热炉，其特点是内部温度高、内部温度维持的均一得到有效保证，且热能不易丧失,并且直接取消了使用传统材料工艺从而产生的过程的预热环节。该蓄热式加热炉虽然仅仅只有加热段和均热段两部分，但是在加热能力提高和钢坯质量得到确保的前提下，反而有效缩短了加热炉的体积。另外 ,该炉也没有传统加热炉上必不可少的换热器、高温烟道等设备，使得炉子在布置上趋于简单化、高效化、合理化 ,在一定程度上降低了操作和维修强度。
三．铝碳材料热震稳定性影响因素的分析与研究
3.1 掺杂物的粒度组成对热震性能的影响
技术人员曾针对材料粒度对热震性进行了系统性的实验研究，根据实验表明：早实验过程中，随着投入的细粉比例增加 ,碳铝材料的整体体积密度下降、气孔率上升，并随着实验的持续进行和投料比列的上升 ,样品的耐热震循环实验的次数以及热震循环试验后材料的耐压强度保持率均体现出一个先下降——后上升——再下降的趋势。从该实验的实验数据深入分析和研究发现：从冶炼行业的经验看：企业为了确保连铸器件有较高的热震稳定性 ,一般会加入大量的石墨，其比例通常大于20%的水平，往往投入的石墨颗粒粒度比例越大，且在最终的实验结果看——物料的表面均匀性会很差，且非常容易形成石墨区 ,此外在颗粒较大的区域与石墨接触界面产生裂纹和裂痕的风险也就越大 ,从而导致了最终材料的热震稳定性下降。
此外通过实验表明，在加入细粉量过大的背景下 ,由于强度过低和裂纹易于扩展 ,材料的热震稳定性也会变得非常差。
3.2低膨胀性的材料加入量对热震稳定性的影响
在冶炼的连铸的产品中——尤其是浸入式水口产品，为了改善制品的热震稳定性 ,不仅会在材料中掺杂一定比例的粗颗粒石墨外，其次还会加入其他具有低膨胀性特性的材料，例如熔融石英、莫来石或者锆莫来石等材料。但是相比于锆莫来石，熔融石英、莫来石本身的耐腐蚀特性要差很多，因此锆莫来石目前已经成为技术以及工艺人员的最佳首选材质。技术人员曾根据其材料特性做过详细实验研究——将锆莫来石以骨料的特征形态加入到实验样品中，且加入量分别为10%、20%、30%、40%、50%分别进行了5批热震试验，所有的实验样本结果表明样品均能承受至少10次热震循环试验 ,且实验过程中均未出现崩裂现象。
根据以上实验结果以及数据进行进一步的数据分析显示，利用锆莫来石改善材料的热震稳定性的基本原理是因为利用其材质本身具有低热膨胀的特点，另一个原因是利用氧化锆本身的相变增韧作用。通过观察锆莫来石的微型结构可以发现：该材质的主晶相是莫来石与单斜氧化锆结合形成的共析体——即单斜氧化锆均匀分布于莫来石晶体中，而次晶相为孤立的串珠状或粒状单斜氧化锆和少量立方氧化锆。在冷热交替的循环实验中，氧化锆发生了可逆晶型转变；在微观结构中由于单斜氧化锆与四方氧化锆体积密度不同，在加热过程中在1170℃的温度背景下m-ZrO2向t-ZrO2发生化学变化并发生收缩；在冷却到1000～800 ℃的温度背景下t-ZrO2向m-ZrO2发生化学变化从而发生膨胀。这收缩膨胀变化会使材料产生微小的裂纹，这些微小的裂纹可以有效吸收热应力，从而可以有效提高相关材料的抗热震稳定性。
但是当锆莫来石加入量过多的情况下，反而会造成相反的结果——其中微观结构中微小裂纹数量显著变多，从而导致了诸多微小裂纹叠加起来形成大裂纹并加剧了裂痕持续增大，反而影响了材料强度的保持，出现上述原因是因为在试验中锆莫来石投入量过多而导致了样品的本身强度维持水平下降的主要原因。
3.3 石墨掺杂比例与热震稳定性的关系
在工业应用中，连铸的三个部件所用到的铝碳材料与一般普通的铝碳材料最大不同之处在于：第一——骨料临界颗粒尺寸小、普遍不会超过0.5毫米;第二——石墨的投入量过大且水平维持在40%左右;最后是利用冷等静压方式成型。研究人员通过在实验样品中投入了不同比例的石墨量，其结果显示，所有的实验样品均能通过10次水冷循环并且不产生任何裂纹或崩裂的情况发生。
其原理是因为随着石墨量的掺杂量增加，相应地刚玉粉量就得到减少，由于在还原的作用下石墨未发生烧结反应性，因而样品本身的材料强度也随着石墨投入而下降，从而导致了最终结果中其强度维持率降低。同时实验发现，只要投入杂质粒度保持最佳的投入量、且锆莫来石加入量保持均一水平 ,即使石墨的掺杂水平降低至15%，同样会保证样品具有很好的热震稳定性。
不同工业用途的铝碳材料因为掺杂的杂质和原料不同导致了其热抗震性的水平不同，因此研究其热抗震性可以对于其具体应用中提供详细的技术参考方向，为铝碳在制作和生产过程中提供数据参考依据，以便达到其最佳的使用状态。
3.4 使用特殊树脂对热震性的影响
通过改变特殊树脂的投入量级可以改变材料的热震性。样品的热震性是通过样品出现第一次的裂纹时、或者重复的热冲击实验增加的背景下所经历的急冷次数来判定的,通过比较不同的样品结果可以看出：通过改变特殊树脂的投入量可以提高材料的热震温度至100℃左右的水平,相同的趋势也可以在三氧化二铝-二氧化硅-碳材料中证实。这说明在碳铝材料中加入特殊树脂可以改善材料的热震性。
四．结束语
通过在技术分析和技术研究人员的实际数据对比可以清晰的发现——影响铝碳材料的热震稳定性的因素很多，在现实应用中需要合理控制各项影响因子从而在不同应用场景中达到该材料应用的最佳使用水平。
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