[发明专利]碳化硅结合含碳耐火材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有优异抗氧化性、高强度的碳化硅结合含碳耐火材料，所述耐火材料主要应用于冶金、铸造过程中的熔炉内衬与熔融金属导流、控流器。 

背景技术

在冶金过程中，熔炉内衬与钢水导流、控流器常常要经受温度激变，对这些部位所使用的耐火材料要求具有很高的耐热震性。由于石墨在环境温度激变时，可以快速传导热量，降低材料内部温度梯度，减小热应力，从而保护材料热震不开裂，所以含石墨耐火材料（简称含碳耐火材料）广泛应用于冶金过程中热震强烈的部位。

目前含碳耐火材料普遍采用酚醛树脂做结合剂，高温烧成后形成玻璃碳结合耐火材料。然而这种玻璃态的结合碳存在两项缺点：一是抗氧化性差，酚醛树脂炭化后形成的玻璃碳从500℃就开始氧化烧蚀，结合碳的氧化会导致材料失去结合力，结构变得疏松，容易剥落或被熔融金属冲蚀；二是强度低、呈玻璃脆性，在一定的应力存在下，会发生脆性断裂。 

针对结合碳的抗氧化性差，一般采用内部掺入抗氧化剂和表面施涂抗氧化涂料来保护含碳耐火材料。所掺入的抗氧化剂一般为比结合碳更易氧化的一些金属粉末，因为其掺入量有限，所以只能在短时间内发挥抗氧化作用。熔炉内衬用含碳耐火材料和熔融金属导流、控流用含碳耐火材料浸没在熔融金属中的部位，表面的防氧化涂层受到熔融金属的溶蚀会逐渐丧失对含碳材料的防氧化保护。一些沥青浸渍含碳耐火材料，由于表面光滑和使用条件的限制难以涂敷抗氧化涂层，在烘烤时发生很容易发生碳结合氧化。 

针对结合碳的低强度和玻璃脆性，一些学者研究了酚醛树脂与沥青共用，在高温形成镶嵌碳结构以增加结合碳的结合强度；也有一些人在酚醛树脂中掺入催化剂，高温催化裂解树脂，沉积碳纤维来增强结合炭的强度。这些方法中由于可沉积的纤维极少对结合碳的脆性改变较小，强度增加不大。 

  

发明内容

本发明的目的是提供一种具有优异抗氧化性、高强度的含碳耐火材料，它具有与碳结合相当的耐热震性能，并在拌合性能和模压性能方面等同于由酚醛树脂作粘结剂的含碳耐火材料，并提供这种含碳耐火材料的制备方法。 

一种碳化硅结合含碳耐火材料，所述的含碳耐火材料是以耐火集料和碳素物为主要原料成分，主要特点是使用聚碳硅烷作为结合剂。 

所述的含碳耐火材料包括铝碳耐火材料、镁碳耐火材料和锆碳耐火材料；所述的碳素物为鳞片石墨；铝碳耐火材料的耐火集料为氧化铝骨料和氧化铝粉料，镁碳耐火材料的集料为氧化镁骨料和氧化镁粉料，锆碳耐火材料的集料为氧化锆骨料和氧化锆粉料。 

所述的结合剂聚碳硅烷为主链或支链上主要含Si和C的、热解后能得到碳化硅的聚合物，这种有机高分子聚合物对耐火集料和碳素物具有很好的粘结作用，与现用的结合剂酚醛树脂有同等的拌和性能和模压性能。聚碳硅烷在950℃以上会裂解为β碳化硅纤维，形成碳化硅纤维结合。 

聚碳硅烷高温裂解形成的碳化硅纤维在温度高于800℃时，会在表面生成一层致密的二氧化硅薄膜，随着高温氧化时间的延长，这层致密薄膜逐渐增厚，使得氧化变缓，进而阻止进一步氧化，所以碳化硅结合比传统酚醛树脂炭化后形成的碳结合具有十分优异的抗氧化性能。 

所形成的碳化硅纤维具有非常高的抗拉强度、较高的热导率和较低的热膨胀系数。高的拉伸强度可以提高材料的破坏极限应力；高的热导率可在环境温度激变时快速传导热量，降低材料内部温度梯度；低的热膨胀率不至于在材料内部存在温度梯度时形成较大的内应力，这三种性能的综合作用决定着材料的耐热震性能。表1为传统酚醛树脂炭化后形成的玻璃碳和碳化硅纤维的力学和热学性能，由表1可知：碳化硅纤维具有与传统酚醛树脂炭化后形成的玻璃碳相当的热导率和热膨胀系数，但碳化硅纤维具有非常高的抗拉强度，所以碳化硅结合含碳耐火材料比传统碳结合含碳耐火材料具有更高的强度和相当的耐热震性能，从根本上改变了传统含碳耐火材料碳结合的抗氧化性差和强度低、呈现脆性的问题。