CN107244932A - 一种多孔铝碳材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多孔铝碳材料及其制备方法。其技术方案是:以70~90wt%的氢氧化铝粉、7~20wt%的石油焦粉和3~10wt%的铝粉为原料,外加所述原料2~7wt%的酚醛树脂,搅拌3~30分钟,压制成型。将成型后的坯体自然干燥20~28小时,再于200~300℃条件下热处理20~28小时,然后在还原气氛中于1300~1600℃条件下保温1~8小时,自然冷却,即得多孔铝碳材料。本发明工艺简单,制备的多孔铝碳材料质轻多孔、使用温度高、高温性能稳定和抗侵蚀能力强,能延缓材料在使用过程中氧化铝碳热还原反应发生的进程。可作为冶金、电力和化工工业用耐火材料或抗腐蚀材料。
Description
技术领域
本发明属于铝碳材料技术领域。尤其涉及一种多孔铝碳材料及其制备方法。
背景技术
以Al2O3-C耐火材料为代表的含碳制品在连铸工艺中作为钢包和控流耐火材料被广泛采用,已成为连铸上应用最广泛的耐火材料,大量用于钢包和中间包滑动水口系列产品和连铸三大件(长水口、浸入式水口和塞棒)等。连铸三大件在炼钢生产中处于十分重要的位置,其质量的好坏对于连铸生产的连续性和稳定性具有重要的意义。目前全世界80%的钢坯采用连铸技术生产。其中,钢包滑板、长水口、浸入式水口、塞棒以及中间包滑板是实现高可靠性连铸的关键耐火材料,它们性能的优劣直接影响着连铸效率和钢坯质量。在国家持续加大特殊钢产品升级开发的力度、努力替代进口和满足国内装备制造业提升的新增市场需求的形式下,提高连铸关键耐火材料的使用寿命和降低对钢水质量的影响显得尤为重要。
围绕着优化和提高Al2O3-C耐火材料组织、结构、制备和性能的目的,人们已开展了大量的研究工作并成功开发出用于冶炼的铝碳耐火材料,这些研究主要关注于改善Al2O3-C耐火材料抗侵蚀性并提高连铸炉次。但是,Al2O3-C耐火材料的损毁及对钢质量的影响除了耐火材料与钢渣和钢水之间的相互作用因素以外,人们往往忽视了Al2O3-C耐火材料主要成分Al2O3和C之间在炼钢温度下发生的碳热还原反应及其对钢水质量和铝碳材料性能的影响。
氧化铝的碳热还原反应式为:
Al2O3(S)+3C(S)=2Al(l)+3CO(g) (1)
在一个大气压下,反应式(1)发生所需要的最低温度为2200℃,远高于钢水连铸的温度。所以,该反应在Al2O3-C耐火材料的抗侵蚀性及对钢水质量的影响研究中往往被人们所忽略。单纯从氧化铝和碳之间的固相反应来分析,在炼钢温度下,反应式(1)是不会发生的,但在金属溶液存在的情况下,氧化铝的碳热还原反应在炼钢温度下则是可以发生的。
上世纪八十年代末期,Frank等人(Robert A.Frank,Charles W.Finn and JohnF.Elliott.Physical Chemistry of the Carbothermic Reduction of Alumina in thePresence of a Metallic Solvent:Pa rtⅡ.Measurements of Kinetics ofReaction.Metallurgical Transactions B,1989,20B(4),161-173)曾研究了1700-1850℃和在0.08-0.2atm温度下,有锡或铜金属溶液存在的情况下氧化铝的碳热还原反应,研究发现有金属溶液存在的情况下,氧化铝的碳热还原反应是可以发生的,其反应式为:
Al2O3(S)+3C(S)=2Al+3CO(g) (2)
式(2)中:Al表示溶解在金属溶液中的Al。
研究认为氧化铝的碳热还原反应受到温度、CO分压和金属溶液中铝的活度的影响。在锡或铜金属溶液存在的情况下,氧化铝的碳热还原反应在1800℃和0.1atm的条件下,于60分钟内可以完成80%。二十年后,Khanna等人(Rita Khanna,Somyote Kongkarat,Seshadri Seetharaman and Veena Sahajwalla.Carbothermic Reductoin of Aluminaat 1873K in the Presence of Molten Steel:a Sessile Drop Investigation.ISIJInternational,2012,52(6),992-999.)在1550℃温度和微正压的条件下,采用液滴附着法研究了Al2O3-C/Fe系统中氧化铝的碳热还原反应。通过改变材料中Al2O3和C的比例,研究了熔体中碳含量的变化、Al2O3-C耐火材料的侵蚀及其与反应时间的关系。研究表明,氧化铝的碳热还原反应在有铁液出现的情况下于1550℃就可以发生,Al2O3-C/Fe系统中发生的化学反应导致铁液中的铝含量和碳含量增加,在Al2O3-C材料和Fe液接触界面有铁铝相生成。Khanna等的研究再次证明了反应式(1)在金属溶液存在的温度下,低于理论反应温度是可以发生的。
以上研究结果表明,氧化铝和碳在和铁液(钢液)或其它金属溶液共存的情况下会促使氧化铝碳热还原反应的发生,导致材料损毁,同时,对钢中的碳含量、铝含量和氧化物夹杂数量产生影响,降低了钢水的纯净度。
发明内容
本发明旨在克服现有技术不足,目的是提供一种多孔铝碳材料的制备方法,所制备的多孔铝碳材料不仅质轻多孔、使用温度高、高温性能稳定和抗侵蚀能力强,而且经高温处理后能延缓材料在使用过程中氧化铝碳热还原反应发生的进程。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:以70~90wt%的氢氧化铝粉、7~20wt%的石油焦粉和3~10wt%的铝粉为原料,外加所述原料2~7wt%的酚醛树脂,搅拌3~30分钟,压制成型。
将成型后的坯体自然干燥20~28小时,再于200~300℃条件下热处理20~28小时,然后在还原气氛中于1300~1600℃条件下保温1~8小时,自然冷却,即得多孔铝碳材料。
所述氢氧化铝粉的粒度为10~200μm,氢氧化铝粉的Al(OH)3含量≥97wt%。
所述石油焦粉的粒度为10~200μm,石油焦粉的C碳含量≥98wt%。
所述铝粉的粒度为10~200μm,铝粉中的Al含量≥97wt%。
所述酚醛树脂的残碳率>40%;酚醛树脂为液体酚醛树脂或为固体酚醛树脂粉末,其中的固体酚醛树脂粉末的粒径为40~200μm。
由于采用上述技术方案,本发明与现有技术相比具有如下积极效果:
1)本发明热处理过程中氢氧化铝粉的分解和石油焦粉在高温下的结构变化,使得材料内部形成多孔结构,该多孔结构有利于降低材料的导热系数,不但可以延缓甚至抑制多孔铝碳材料内部的氧化铝碳热还原反应的发生(在CO分压极低的情况下,氧化铝和碳之间的固-固反应会发生),还可以起到明显的隔热效果。
2)本发明采用的石油焦粉在铁液中的溶解速率快,在和钢水接触后,多孔铝碳材料表面很快形成脱碳层,由此抑制了铁液催化氧化铝碳热还原反应的进行(铁液催化氧化铝碳热还原反应的机制是:氧化铝和碳同时溶于钢液中并生成一氧化碳气体,同时钢中铝含量增加)。
3)本发明制备的多孔铝碳材料中,部分铝在氢氧化铝分解时,和水蒸气反应生成活性氧化铝,高温下,活性氧化铝会促进多孔铝碳材料烧结的进行,多孔铝碳材料的强度得以提高。
本发明所制备的多孔铝碳材料经检测:多孔铝碳材料的耐压强度≥10MPa,气孔率≥20%。
因此,本发明工艺简单,制备的多孔铝碳材料质轻多孔、使用温度高、高温性能稳定和抗侵蚀能力强,能延缓材料在使用过程中氧化铝碳热还原反应发生的进程。可作为冶金、电力和化工工业用耐火材料或抗腐蚀材料。
具体实施例
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述,并非对其保护范围的限制。
为避免重复,现将本具体实施方式所涉及的物料统一描述如下,实施例中不再赘述:
所述氢氧化铝粉的粒度为10~200μm,氢氧化铝粉的Al(OH)3含量≥97wt%。
所述石油焦粉的粒度为10~200μm,石油焦粉的C碳含量≥98wt%。
所述铝粉的粒度为10~200μm,铝粉中的Al含量≥97wt%。
所述酚醛树脂的残碳率>40%。
实施例1
一种多孔铝碳材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是:
以80~90wt%的氢氧化铝粉、7~15wt%的石油焦粉和3~5wt%的铝粉为原料,外加所述原料2~4wt%的酚醛树脂,搅拌3~10分钟,压制成型。
将成型后的坯体自然干燥20~23小时,再于200~220℃条件下热处理20~23小时,然后在还原气氛中于1300~1400℃条件下保温6~8小时,自然冷却,即得多孔铝碳材料。
本实施例所述酚醛树脂为液体酚醛树脂。
本实施例所制备的多孔铝碳材料经检测:多孔铝碳材料的耐压强度≥10MPa,气孔率≥35%。
实施例2
一种多孔铝碳材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是:
以70~80wt%的氢氧化铝粉、15~20wt%的石油焦粉和5~10wt%的铝粉为原料,外加所述原料4~7wt%的酚醛树脂,搅拌10~20分钟,压制成型。
将成型后的坯体自然干燥23~25小时,再于220~2500℃条件下热处理23~25小时,然后在还原气氛中于1400~1500℃条件下保温4~6小时,自然冷却,即得多孔铝碳材料。
本实施例所述酚醛树脂为固体酚醛树脂粉末,固体酚醛树脂粉末的粒径为40~200μm。
本实施例所制备的多孔铝碳材料经检测:多孔铝碳材料的耐压强度≥15MPa,气孔率≥25%。
实施例3
一种多孔铝碳材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是:
以75~85wt%的氢氧化铝粉、10~18wt%的石油焦粉和4~7wt%的铝粉为原料,外加所述原料3~6wt%的酚醛树脂,搅拌20~30分钟,压制成型。
将成型后的坯体自然干燥25~28小时,再于250~300℃条件下热处理25~28小时,然后在还原气氛中于1500~1600℃条件下保温1~4小时,自然冷却,即得多孔铝碳材料。
本实施例所述酚醛树脂为液体酚醛树脂。
本实施例所制备的多孔铝碳材料经检测:多孔铝碳材料的耐压强度≥20MPa,气孔率≥20%。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果:
1)本具体实施方式热处理过程中氢氧化铝粉的分解和石油焦粉在高温下的结构变化,使得材料内部形成多孔结构,该多孔结构有利于降低材料的导热系数,不但可以延缓甚至抑制多孔铝碳材料内部的氧化铝碳热还原反应的发生(在CO分压极低的情况下,氧化铝和碳之间的固-固反应会发生),还可以起到明显的隔热效果。
2)本具体实施方式采用的石油焦粉在铁液中的溶解速率快,在和钢水接触后,多孔铝碳材料表面很快形成脱碳层,由此抑制了铁液催化氧化铝碳热还原反应的进行(铁液催化氧化铝碳热还原反应的机制是:氧化铝和碳同时溶于钢液中并生成一氧化碳气体,同时钢中铝含量增加)。
3)本具体实施方式制备的多孔铝碳材料中,部分铝在氢氧化铝分解时,和水蒸气反应生成活性氧化铝,高温下,活性氧化铝会促进多孔铝碳材料烧结的进行,多孔铝碳材料的强度得以提高。
本具体实施方式所制备的多孔铝碳材料经检测:多孔铝碳材料的耐压强度≥10MPa,气孔率≥20%。
因此,本具体实施方式工艺简单,制备的多孔铝碳材料质轻多孔、使用温度高、高温性能稳定和抗侵蚀能力强,能延缓材料在使用过程中氧化铝碳热还原反应发生的进程。可作为冶金、电力和化工工业用耐火材料或抗腐蚀材料。
Claims (6)
1.一种多孔铝碳材料的制备方法,其特征在于:以70~90wt%的氢氧化铝粉、7~20wt%的石油焦粉和3~10wt%的铝粉为原料,外加所述原料2~7wt%的酚醛树脂,搅拌3~30分钟,压制成型;将成型后的坯体自然干燥20~28小时,再于200~300℃条件下热处理20~28小时,然后在还原气氛中于1300~1600℃条件下保温1~8小时,自然冷却,即得多孔铝碳材料。
2.根据权利要求1所述的多孔铝碳材料的制备方法,其特征在于所述氢氧化铝粉的粒度为10~200μm,氢氧化铝粉的Al(OH)3含量≥97wt%。
3.根据权利要求1所述的多孔铝碳材料的制备方法,其特征在于所述石油焦粉的粒度为10~200μm,石油焦粉的C碳含量≥98wt%。
4.根据权利要求1所述的多孔铝碳材料的制备方法,其特征在于所述铝粉的粒度为10~200μm,铝粉中的Al含量≥97wt%。
5.根据权利要求1所述的多孔铝碳材料的制备方法,其特征在所述酚醛树脂的残碳率>40%;酚醛树脂为液体酚醛树脂或为固体酚醛树脂粉末,其中的固体酚醛树脂粉末的粒径为40~200μm。
6.一种多孔铝碳材料,其特征在于所述多孔铝碳材料是根据权利要求1~5项中任一项所述的多孔铝碳材料的制备方法所制备的多孔铝碳材料。
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