（来源：期刊-《耐火与石灰》-第49卷第2期）

陈旺学  徐 威  孙荣海  夏长海  孟乌鹏

（濮阳濮耐高温材料（集团）股份有限公司，濮阳 457100）

摘 要：研究了添加稀土氧化钇对铝碳化硅碳砖性能的影响。结果表明：添加稀土氧化钇，促进了铝碳化硅碳砖试样烧结，试样的体积密度、显气孔率、常温耐压强度得到明显改善；高温条件下稀土氧化钇能够使试样结构更加致密，高温抗折性能明显提高。加入氧化钇后，试样的抗热震性能和抗渣性能也得到显著改善。

关键词：铝碳化硅碳砖；稀土氧化钇；烧结；热震性能

中图分类号：TQ175.12   文献标识码：A   文章编号：1673-7792（2024）02-0048-03

1  前言

炼铁系统中使用的铝碳化硅碳砖，其损毁主要有铁渣的化学侵蚀、铁水冲刷的机械损毁、热应力剥落等。由于稀土元素具有4fx5d16s2电子层结构，电价高、半径大、极化力强、化学性质活泼及能水解等性质，故其应用十分广泛，尤其在高温结构材料方面具有广阔的发展前景[1]，已广泛应用于电子陶瓷、光学陶瓷、高温结构陶瓷和陶瓷超导体。稀土氧化物在结构陶瓷和铝碳材料中的应用，主要是作为添加剂来改进陶瓷和铝碳材料的烧结性、致密度、显微结构及相组成等以满足在不同场合下的使用要求。罗三峰[2]研究了温度对铝碳结构和性能的影响，添加少量的稀土氧化物，在1 300～1 400 ℃时，试样的致密化程度最好，强度和韧性最佳。

2  试验

2.1  主要原料

骨料采用山西85特级铝矾土、红柱石及棕刚玉。基质细粉使用了粒度≤0.088 mm的鳞片石墨、碳化硅、特级铝矾土粉及抗氧化剂。高铝钒土中氧化铝的含量≥85%，棕刚玉中氧化铝含量≥95%；鳞片石墨的碳含量≥95%，碳化硅的纯度≥95%；复合抗氧化剂包含金属铝粉和金属硅粉，过100目筛，金属铝粉中铝含量≥98%，金属硅粉中硅含量≥98%。氧化钇过200目筛。结合剂用耐材专用的酚醛树脂。

2.2 试验过程

按照表1中的配方配料，酚醛树脂为外加结合剂。试样A0为普通的铝碳化硅碳砖（不含红柱石），试样B1为加入红柱石的铝碳化硅碳砖，试样Y1、Y2为加入氧化钇的铝碳化硅碳砖。

添加氧化钇的铝碳化硅碳砖的制备包括如下步骤：

（1）将粒径≥3 mm且≤5 mm的高铝钒土，粒径≥1 mm且＜3 mm的高铝钒土，粒径≥0.074 mm且＜1 mm的高铝钒土，红柱石和粒径＞0.15 mm且≤1 mm的碳化硅颗粒3种干料混合3 min，得到混合干料A；

（2）将粒径＜0.074 mm的高铝钒土、粒径＜0.15 mm的碳化硅细粉、氧化钇粉和复合抗氧化剂4种粉料，混合3 min，得到混合干料B；

（3）先向混合干料A中加入结合剂液体酚醛树脂湿混3 min后，继续加入鳞片石墨，并继续混合5 min，接着加入混合干料B，在混碾机中混碾搅拌15 min，得到混合物料；

（4）将混合物料加入模具中，在大型摩擦压砖机上打压成型制成坯体；

（5）将坯体置于干燥隧道窑中干燥烘烤，温度为180 ℃，干燥时间为18 h，干燥结束后，即制备得到添加氧化钇的铝碳化硅碳砖。试样冷却后测量其常温耐压强度、体积密度和显气孔率；测试试样在埋碳1 350 ℃、3 h后的线变化、耐压强度、抗折强度；测试高温抗折强度（埋碳1 350 ℃，0.5 h）。热震炉1 100 ℃水冷条件下，试样规格25 mm ×25 mm×140 mm，在电阻炉中保温20 min，取出放入冷水中急冷5 min，如此反复5次，观察试样出现裂纹后的次数，判断热震稳定性。测试热震5次后的残余耐压强度。在静态电炉中，在1 350 ℃、3 h条件下不埋碳测试试样的抗渣侵蚀性能。

3 结果与讨论

3.1 常温性能

110 ℃烘干后试样的显气孔率、体积密度、常温耐压强度示于图1～图3。加入氧化钇试样Y1、Y2的显气孔率明显下降，加入0.8%的氧化钇试样Y1的体积密度得到提高，为2.92 g/cm3 ；加入1%的氧化钇试样Y2的体积密度为2.95 g/cm3 。加入氧化钇后，能够降低C的扩散激活能，扩散系数提高，有利于C向Si扩散[1]；另一方面，稀土氧化钇降低了固态反应生成的SiC的反应激活能，说明氧化钇能够促进硅碳反应生成SiC，继而促进试样烧结，体积密度提高。试样Y1、Y2的常温耐压强度分别为48.5 MPa、51 MPa，比对比试样A0、B1的耐压强度有所提高。

3.2 高温性能

按国标规定测定各试样在1 350 ℃、0.5 h条件下的高温抗折强度，结果示于图4。试样Y1（加入0.8%氧化钇）、试样Y2（加入1%氧化钇）的高温抗折强度比对比试样A0、B1有较大提高，试样Y1、Y2制备的铝碳化硅碳砖其平均高温抗折强度达到9.0 MPa。稀土氧化钇能够改变SiC的形貌，以石墨和树脂碳为碳源时，稀土氧化物使SiC直晶率提高[3]，使晶须变直变粗，促进晶核颗粒之间烧结。高温条件下氧化钇促进试样烧结，使试样结构

更加致密，高温性能明显改善。

3.3  热震性能 

各试样热震水冷5次后残余耐压强度示于图5。A0、B1试样残余耐压强度分别为8.6 MPa、13.5 MPa，Y1、Y2试样分别为23.6 MPa、25.8 MPa，较A0、B1有明显提高。加入氧化钇后，生成SiC晶须数量更多，晶须变直变粗。说明加入稀土氧化钇不仅可以降低SiC的形成温度，还可以改变生成SiC晶须的形貌。SiC有助于提高热震性能，故试样的热震性能也有较明显的改善。

图6（a）～（ｂ）分别为A0、B1、Y1和Y2水冷热震5次后的砖样示意图。从图中可以看出，试样Y1、Y2的热震性能比A0、B1有较大改善，且加入1%氧化钇的Y2试样的抗热震性能较加入0.8%氧化钇的Y1试样更好，热震后残样更为完整。SiC有助于提高热震性能。随着氧化钇加入量的增加，抗热震性能也随之增加。由于稀土氧化钇比较昂贵，加入量过多会造成成本大幅增加没有性价比，因此实际推广应用时考虑成本问题，加入量尽量控制在一定范围（0.5%～1.5%）。

3 .4  抗渣性能

试样的抗渣性能外观情况示于图7，原扩孔内径为32 mm。加入氧化钇后，试样Y1的抗渣性能比试样A1明显改善，内部结构更加致密化，促进材料中原位形成SiC晶须，而SiC晶须能够补强铝碳化硅碳材料的性能。

4 结论

（1）加入氧化钇后试样的体积密度、显气孔率和常温耐压强度得到明显改善。

（2）高温条件下稀土氧化钇促进试样烧结，使试样结构更加致密，高温抗折性能得到明显改善。

（3）稀土氧化钇可以降低SiC的形成温度，还可以改变生成SiC晶须的形貌。SiC有助于提高热震性能，因此试样的抗热震性能和抗渣性能也得到较大改善。

参考文献

［ 1 ］张玉珍，诸爱珍. 稀土在陶瓷材料中的应用[J].江苏陶瓷，2005， 38（2）：27-29.

［ 2 ］罗三峰. 稀土氧化物与碳纤维对铝碳耐火材料性能的影响[D]. 武汉：武汉科技大学，2007.

［ 3 ］崔汉蓉，张建平. 高温高压下石墨和碳黑在触媒金属作用后的再结晶[J]. 四川联合大学学报（工程科学版），1997，1（1）： 87-93.

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