CN107840669A - 一种提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法及铝碳质耐火材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法及铝碳质耐火材料。所述提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，通过在铝碳质耐火材料组分之一的碳素材料表面涂覆氧化钛粉体，提高铝碳质耐火材料的抗氧化能力。本发明所述方法成本低、操作简便、易于实施，将表面涂覆二氧化钛粉体的石墨作为铝碳质耐火材料的碳素原料使用，可以大幅度地提高耐火材料的抗氧化性能，延长耐火材料的使用寿命。

Description

一种提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法及铝碳质耐火 材料
技术领域
本发明涉及耐火材料技术，尤其涉及一种提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法及铝碳质耐火材料。
背景技术
铝碳质耐火材料是钢铁冶炼过程中最常用的耐火材料之一，主要用于连铸水口、滑板以及钢包等。铝碳质耐火材料主要以氧化铝和碳素材料为原料，以树脂为结合剂，均匀搅拌后通过压力成型为制品。
由于碳素材料具有不被熔渣润湿和热导率高等特点，因此，使用碳素材料制备的铝碳质耐火材料具有优良的抗渣侵性能和抗热震性能，使用寿命大幅度提高。但是，由于碳素材料容易氧化，因此，为了提高铝碳质耐火材料的抗氧化性能，目前多在铝碳质耐火材料中添加金属铝和金属硅等抗氧化剂。
虽然添加金属铝和金属硅可以有效抑制铝碳质耐火材料的氧化，但是由于金属铝和金属硅在高温下会与碳素材料反应生成碳化铝和碳化硅，致使耐火材料的抗热震性能下降。同时，生成的碳化铝容易水化，易使耐火材料产生裂纹，强度下降。
作为铝碳质耐火材料组分使用的碳素材料有多种。例如，天然石墨、人造石墨以及炭黑等。由于石墨具有良好的结晶结构，抗氧化性能显著优于无定形的炭黑，因此，常作为铝碳质耐火材料的碳素材料使用。
石墨具有良好的层状结构，碳原子呈六边形排列并向二维方向延伸，如图1所示。石墨的层间结合力为范德华力，层间距为335pm。每一个层面内，有6个碳原子，分别以π键和σ键连接，原子间距为142pm。
石墨的氧化过程一般分几个步骤。
首先，氧原子化学吸附在石墨表面，靠近活化碳原子一侧，可表示为：
2C+O2(g)＝2C(O) (1)
接下来,化学吸附在活化碳原子上的氧(C(O))将与活化碳反应生成过渡一氧化碳相(CO)，如下式所示。
C(O)＝(CO) (2)
最后，过渡一氧化碳相(CO)从石墨表面脱附生成气体逸出(见式(3))。
(CO)＝CO(g) (3)
吸附在活化碳原子上的化学氧如图2所示。如果化学氧要夺取石墨结构中的活化碳原子，使之继续发生反应(2)和反应(3)，则首先必须要断掉两个σ键和一个π键。
但是，如果石墨与晶体物质共存，上述结合键的断裂行为和过程是不同的。根据电子理论，如果石墨传递电子给晶体物质或者与晶体物质形成共价键，则石墨上的电子分布可表示为图3和图4。与图2比较可知，由于失去了π键，碳-碳间的结合被削弱。因此，一氧化碳的生成反应过程((2)式和(3)式)得到促进，石墨氧化容易进行。
与此相反，如果一个结晶物质传递电子给石墨，那么石墨上的电子分布则如图5所示。与图2相比，一氧化碳的生成反应过程((2)式和(3)式)得到抑制，石墨氧化不易发生。
研究表明，三氧化二铝是一种极易接受电子的物质，即，当其与石墨共存的时候，会从石墨获得电子进而形成如图3所示的电子分布，因而会促进石墨的氧化。因此，当以三氧化二铝和石墨为原料制备铝碳质耐火材料的时候，由于石墨的上述结构特点以及石墨与三氧化二铝间的电子作用过程，会促进铝碳质耐火材料中的石墨氧化，进而影响耐火材料的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述铝碳质耐火材料易氧化，影响使用寿命的问题，提出一种提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，本发明所述方法成本低、操作简便、易于实施，能够有效地提高铝碳质耐火材料的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，在铝碳质耐火材料组分之一的碳素材料表面涂覆氧化钛粉体，氧化钛粉体是能够给予电子的晶体物质，将其涂敷在石墨颗粒表面，避免石墨与三氧化二铝间的直接接触，抑制石墨氧化，提高铝碳质耐火材料的抗氧化性能，进而提高铝碳质耐火材料的抗氧化能力。
进一步地，所述碳素材料为石墨。
进一步地，所述碳素材料表面涂覆氧化钛粉体采用干式搅拌或采用添加结合剂搅拌方式。
进一步地，所述结合剂为树脂，添加量为石墨的3-10％wt。
进一步地，所述氧化钛粉体的粒径小于20μm。
进一步地，所述氧化钛粉体的涂覆量为碳素材料的1-20％wt，优选为5-10％wt。
本发明的另一个目的还公开了一种铝碳质耐火材料，包括碳素材料和氧化铝，各组分的重量配比为碳素材料5-30％，氧化铝70-95％，所述碳素材料表面涂覆氧化钛粉体。
本发明一种提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法通过在铝碳质耐火材料组分之一的碳素材料表面涂覆氧化钛粉体的方法，提高铝碳质耐火材料的抗氧化能力。采用该方法制备得到的铝碳质耐火材料使用寿命长，与现有技术相比较具有以下优点：
1)该方法成本低、操作简便、易于实施，
2)实验表明，二氧化钛是一种给予电子的晶体物质，与石墨共存时能够显著抑制石墨的氧化。
附图说明
图1为石墨结构图；
图2为吸附在活化碳原子上的化学氧；
图3为石墨上的电子分布一；
图4为石墨上的电子分布二；
图5为石墨上的电子分布三。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
对照例1在碳素材料表面涂覆三氧化二铝；实施例1-9根据二氧化钛涂覆量和涂覆二氧化钛颗粒直径以及涂覆方法的不同，制备铝碳质耐火材料，具体如表1所示。在铝碳质耐火材料的制备过程中，将表面涂覆有二氧化钛的石墨作为含碳材料原料使用，避免石墨表面与三氧化二铝间的直接接触，抑制石墨氧化，进而达到提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的目的。
实施例1-9以使用表面涂覆二氧化钛石墨的铝碳质耐火材料为实施对象，将100g铝碳质耐火材料试样在空气气氛下以10℃/min的加热速度加热，利用差热分析仪测量加热过程中石墨的氧化开始温度、氧化峰值温度和氧化终了温度。比较例1以涂覆三氧化二铝为比较对象，在相同条件下测量石墨的开始氧化温度、氧化峰值温度和氧化终了温度。具体结果如表1所示。
由表可见，采用本实施例2、3、4、6、7、8和9通过在碳素材料表面涂覆氧化钛粉体，制备得到的铝碳质耐火材料抗氧化性能明显提高。
表1实施例1-9和比较例1的试验结果
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，其特征在于，在铝碳质耐火材料组分之一的碳素材料表面涂覆氧化钛粉体，提高铝碳质耐火材料的抗氧化能力。
2.根据权利要求1所述提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，其特征在于，所述碳素材料为石墨。
3.根据权利要求1所述提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，其特征在于，所述碳素材料表面涂覆氧化钛粉体采用干式搅拌或采用添加结合剂搅拌方式。
4.根据权利要求3所述提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，其特征在于，所述结合剂为树脂，添加量为石墨的3-10％wt。
5.根据权利要求1所述提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，其特征在于，所述氧化钛粉体的粒径小于20μm。
6.根据权利要求1或5所述提高铝碳质耐火材料抗氧化性能的方法，其特征在于，所述氧化钛粉体的涂覆量为碳素材料的1-20％wt。
7.一种铝碳质耐火材料，包括碳素材料和氧化铝，各组分的重量配比为碳素材料5-30％，氧化铝70-95％，所述碳素材料表面涂覆氧化钛粉体。
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