原位制备Al4O4C晶须增强碳复合耐火材料的机理研究

The reduction of the carbon content usually leads to a dramatic reduction of corrosion and thermal shock resistance of carbon-containing refractories. To solve this problem, the mechanism of in situ synthesis of Al4O4C whiskers reinforced carbon-containing refractories would be investigated in this proposal. The novel carbon-containing refractories with less pollution for molten steel, good thermal shock, corrosion and oxidation resistance and high temperature properties will be prepared to serve the requirements of developing clean steel making technologies. The mechanism of in situ Al4O4C whiskers in carbon-containing refractories will be analyzed, the dynamic model of in situ reaction will be established, and the control mechanism of in situ reaction will be clarified. The structure evolution of Al4O4C whiskers under high temperature and complex environment will be analyzed. The microstructure and dispersion of in situ Al4O4C whiskers in carbon-containing refractories will be determined, and the major relation between microstructure and high temperature properties of in situ Al4O4C whiskers reinforced carbon-containing refractories will be demonstrated. The results of the proposal will provide theoretical basis for solving the problems existing in low carbon-containing refractories, and have scientific significance and applied value for the development of carbon-containing refractories and clean steel making technologies.

针对碳复合耐火材料因低碳化导致的抗热震稳定性及抗渣渗透性下降的问题，项目拟对原位制备Al4O4C晶须增强碳复合耐火材料的机理进行研究，制备满足洁净钢冶炼技术发展需求的对钢水污染小、热震稳定性、抗渣渗透性、抗氧化性及高温强度优良的新型碳复合耐火材料。项目将系统研究碳复合耐火材料中原位生成Al4O4C晶须的机理，构建Al4O4C晶须反应生成动力学模型，阐明生成反应的控制机制；探明在碳复合耐火材料高温服役复杂环境下Al4O4C晶须的结构演变规律及作用机制；揭示Al4O4C晶须增强碳复合耐火材料的显微结构和分散性，表征其高温性能，探明材料显微结构与高温性能之间的关系。研究结果将为解决碳复合耐火材料因低碳化所面临的最主要问题提供理论基础，对于碳复合耐火材料的研发及洁净钢冶金技术的进步具有重要的科学意义和应用价值。

针对碳复合耐火材料因低碳化导致的抗热震稳定性及抗渣渗透性下降的问题，项目以铝碳体系为研究对象，研究以Al4SiC4为原料原位制备Al4O4C晶须增强相的反应原理和工艺参数，制备满足洁净钢冶金技术发展需求的Al4O4C晶须增强Al2O3-C耐火材料。根据第一性原理计算和实验表征，Al4SiC4中Al-C键能小于Si-C键能，高温下Al原子更易从Al4SiC4晶格中脱离，并在弱还原气氛下分别以VLS和VVS机制反应生成碳纳米管和Al4O4C晶须。由于碳复合耐火材料在高温服役过程中系统内气相组成复杂，项目研究了Al4O4C在CO、N2等不同气氛和温度处理后的结构演变规律及反应机制。在高温CO或N2气氛中，Al4O4C会向Al2O3或AlN转化，可通过调整烧成制度、反应气氛、原料粒度实现反应产物形貌结构的控制。当烧成温度低于1600℃时，通过优化铝碳耐火材料的显微结构，基于Al4O4C/CNTs的钉扎位错、承载应力等作用实现了耐火材料高温性能的提升。当烧成温度高于1600℃时，铝碳耐火材料基质中部分氧化铝与碳素材料在杂质作用下发生碳热还原反应，Al4O4C生成量进一步提高，但材料显气孔率伴随CO生成逐渐增加。另外，项目采用相同的技术工艺对镁碳体系进行了研究，在镁碳耐火材料中并未生成Al4O4C晶须增强相。项目成果为高性能Al4O4C晶须增强低碳铝碳耐火材料的研发以及Al4O4C材料在高温不同气氛环境下的应用提供理论依据。依托项目资助，发表学术论文20篇，其中SCI收录17篇；申请国家发明专利8项，其中授权1项；以研究成果为支撑条件之一，获得2019年湖北省技术发明奖一等奖1项；培养研究生6名，其中2名硕士研究生已毕业。