為了探尋微晶石墨替代鱗片石墨在含碳耐火材料中應(yīng)用的可行性，以燒結(jié)板狀剛玉、鱗片石墨、微晶石墨、Si 粉、SiO2粉和α-Al2O3粉為原料，以熱固性酚醛樹脂為結(jié)合劑混合均勻后，在150 MPa 壓力下壓制成25mm×25 mm×140mm 的長條試樣，經(jīng)220℃保溫24 h 后制備不燒Al2O3－C 試樣。研究了微晶石墨加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、2%、4% 和6% 對不燒Al2O3－C 耐火材料性能的影響。結(jié)果表明: 隨著微晶石墨加入量的增加，試樣的體積密度略有升高，常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度稍有提高，高溫抗折強(qiáng)度有所增加，抗熱震性稍有提高，抗渣侵蝕性有所下降。

　　石墨材料的制備也是礦物和材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其原料包括無煙煤、石油焦和微晶石墨等。其中，微晶石墨是一種具有潛在用途的資源。雖然微晶石墨晶粒尺寸小，有晶格缺陷，抗氧化性能弱于鱗片石墨，但在各向同性、反應(yīng)活性和某些力學(xué)性能等方面優(yōu)于鱗片石墨。因此，微晶石墨的開發(fā)與利用成為近年來本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　由于連鑄技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得鋼水溫度提高，鋼水停留時(shí)間延長以及鋼水?dāng)嚢杓ち?，這些都要求耐火材料具有較高的高溫強(qiáng)度以及良好的抗熱震性、抗鋼水沖刷和抗侵蝕等性能。為滿足連鑄工業(yè)的技術(shù)要求，從20 世紀(jì)70 年代開始，人們將石墨等碳材料引入到耐火材料中，形成氧化物－碳復(fù)合材料。最為常見的就是鋁碳耐火材料，被廣泛應(yīng)用于連鑄和滑板用耐火材料。后來，為了提高鋁碳耐火材料的性能并延長其使用壽命，人們在碳源、添加劑、碳纖維等對含碳耐火材料性能的影響方面做了很多研究。

　　傳統(tǒng)含碳耐火材料中的石墨基本都采用鱗片石墨。隨著優(yōu)質(zhì)鱗片石墨的日漸匱乏，探尋微晶石墨在含碳材料中應(yīng)用的可能性也就顯得日趨重要。這不僅可以拓寬微晶石墨的應(yīng)用領(lǐng)域，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，而且還可以保護(hù)鱗片石墨的開采。在本工作中，嘗試在鋁碳材料中引入微晶石墨，研究了微晶石墨替代鱗片石墨后對材料性能的影響。

　　試驗(yàn)

　　試驗(yàn)所用主要原料:板狀剛玉( 3 ～ 1、1 ～ 0.5、0.5 ～ 0.088、≤0.088 mm) ，Si 粉( ≤0.088 mm) ，鱗片石墨( ≤0.154 mm) ，郴州微晶石墨( ≤0.154 mm) ，α-Al2O3粉( ≤0.088 mm) ，SiO2粉( ≤0.088 mm) 。原料化學(xué)組成見表1，兩種石墨的化學(xué)組成見表2。

　　鱗片石墨呈片狀，晶體表面光滑，晶粒尺寸約50μm； 而微晶石墨呈粒狀，它的顆粒由許多隨機(jī)取向的微小晶體聚集而成，晶粒尺寸小，約227nm，晶粒表面粗糙，晶粒缺陷大。因此，推測微晶石墨的反應(yīng)活性比鱗片石墨的高，各向同性比鱗片石墨的好，用在含碳耐火材料中能改善耐火材料的某些性能。

　　制樣及性能測試

　　按照表3 配料。將配好的物料以熱固性酚醛樹脂為結(jié)合劑，用愛立許攪拌機(jī)混6min，然后將混均勻的原料在液壓機(jī)上以150 MPa 的壓力成型為25 mm × 25 mm × 140 mm 的長條狀試樣，于220 ℃固化24 h 后備用。

　　按照GB /T 2997—2000 檢測試樣的體積密度和顯氣孔率； 按照GB /T 3001—2007 對試樣進(jìn)行常溫抗折強(qiáng)度測試； 按照GB /T 5072—2008 對試樣進(jìn)行常溫耐壓強(qiáng)度檢測；按照GB /T 3002—2004 檢測試樣的高溫抗折強(qiáng)度(1400 ℃埋碳保溫0.5 h) ； 在1100 ℃( 空氣氣氛) 下利用水淬冷法測試試樣經(jīng)3 次熱震后的殘余抗折強(qiáng)度，以強(qiáng)度保持率表征抗熱震性； 采用動態(tài)感應(yīng)爐法來評測試樣的抗渣性: 將在220 ℃固化24 h 后的長條狀試樣固定在模具里，然后向模具里倒入剛玉－ 尖晶石澆注料，經(jīng)振動成型為一個(gè)圓柱形坩堝，這樣，長條試樣就固定在坩堝壁上，其截面圖如圖1所示，然后裝入感應(yīng)熔煉爐。將6 kg 普通鋼放入坩堝中并加熱至鋼完全熔化，加入200 g 左右的鋼包渣( 化學(xué)組成如表4 所示) ，待鋼塊與熔渣完全熔融，于1600 ℃保溫30 min 停爐冷卻至室溫，之后用掃描電鏡觀察侵蝕后試樣的顯微結(jié)構(gòu)，并結(jié)合EDS 對侵蝕后試樣的微區(qū)經(jīng)行分析，用Image－Pro Plus 6.0 統(tǒng)計(jì)滲透層中渣區(qū)域百分比，用Factsage 軟件分析侵蝕后試樣滲透層中渣的黏度。

　　結(jié)果與討論

　　從圖3 可以看出，當(dāng)試樣不加微晶石墨時(shí)，試樣的顯氣孔率為21%，體積密度為2.71g·cm － 3；隨著微晶石墨加入量的增加，試樣的顯氣孔率稍有下降，體積密度略有提高。當(dāng)試樣中的微晶石墨加入量為6%(w) 時(shí)，試樣的顯氣孔率為18.7%，體積密度為2.85 g·cm -3。當(dāng)不加微晶石墨時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度為2 MPa，耐壓強(qiáng)度為14 MPa，隨著微晶石墨加入量的增加，試樣的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度有所提高，當(dāng)微晶石墨加入量為6%( w) 時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度為4 MPa，耐壓強(qiáng)度為33MPa。這是因?yàn)槲⒕木Я３叽缧?，晶粒表面粗糙，在成型時(shí)能更好地填充在試樣骨料之間的空隙中且不易滑動。

　　高溫性能:

　　高溫抗折強(qiáng)度：在1400℃埋碳保溫0.5h條件下， 隨著微晶石墨加入量的增加，試樣的高溫抗折強(qiáng)度呈上升趨勢。當(dāng)試樣不加微晶石墨時(shí)，試樣的高溫抗折強(qiáng)度為5 MPa，當(dāng)試樣中的微晶石墨加入量為6%(w) 時(shí)，試樣的高溫抗折強(qiáng)度為7 MPa。這得益于一方面微晶石墨呈粒狀，表面粗糙，成型后微晶石墨能更好地填充在試樣的空隙中且不易滑動；另一方面，可能是微晶石墨的晶粒小，晶粒缺陷多，表現(xiàn)出較大的活性，在高溫下更容易與試樣中的Si 反應(yīng)形成SiC，從而提高試樣的高溫力學(xué)性能。

　　抗熱震性：1100℃水冷3次熱震后的條件下，隨著微晶石墨加入量的增加，試樣的強(qiáng)度保持率呈上升趨勢，材料的抗熱震性有所提高。當(dāng)試樣中的微晶石墨加入量為0 時(shí)，試樣的殘余抗折強(qiáng)度為0.4 MPa，強(qiáng)度保持率為20%； 當(dāng)試樣中的微晶石墨加入量為6%( w) 時(shí)，試樣的殘余抗折強(qiáng)度為1.4 MPa，強(qiáng)度保持率為35%。這是因?yàn)轺[片石墨易發(fā)生擇優(yōu)取向，使得材料平行于成型壓力方向和垂直于成型壓力方向的熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等產(chǎn)生顯著差異，從而表現(xiàn)出各向異性，而微晶石墨顆粒是由許多隨機(jī)取向的微小晶體聚集而成，表現(xiàn)出各向同性，當(dāng)試樣中引入微晶石墨后，鱗片石墨的這種擇優(yōu)取向得到明顯改善，從而提高了材料的抗熱震性。

　　抗渣性：試樣A3的侵蝕缺口較大。經(jīng)測量、計(jì)算得出: 試樣A0 的侵蝕指數(shù)為9.51%，滲透指數(shù)為7.39%；試樣A3 的侵蝕指數(shù)為14.69%，滲透指數(shù)為10.82%。說明試樣A3的抗渣性較差。

　　試樣A0 和試樣A3 經(jīng)1600 ℃試樣A0 基質(zhì)中渣的面域百分比約為6.8%，試樣A3 基質(zhì)中渣的面域百分比約為8.2%。根據(jù)表5 各點(diǎn)EDS 分析結(jié)果，用Factsage 軟件算得試樣A0 基質(zhì)中渣的平均黏度為0.66 Pa·s，試樣A3 基質(zhì)中渣的平均黏度為0.54 Pa·s。這是因?yàn)樵谇治g試驗(yàn)過程中，隨著溫度升高，試樣中C 會被氧化形成微孔，而微晶石墨的抗氧化性比鱗片石墨差，使得試樣A3中形成的微孔要比試樣A0的多，導(dǎo)致試樣A3 的結(jié)構(gòu)較為疏松，加速了渣向試樣A3 中的侵蝕，使得更多的渣滲透到試樣內(nèi)部。另外，微晶石墨中雜質(zhì)含量較多，高溫下這些雜質(zhì)會與試樣反應(yīng)，使試樣侵蝕程度加深。

　　結(jié)論

　　微晶石墨晶粒尺寸小，晶粒表面粗糙，易成型，隨著微晶石墨含量的增加，試樣的體積密度和常溫強(qiáng)度有所提高。

　　微晶石墨晶粒小，晶體缺陷多，表現(xiàn)出較大的活性，高溫下易與Si 反應(yīng)生成SiC，提高了試樣的高溫抗折強(qiáng)度。

　　微晶石墨的各向同性比鱗片石墨好，微晶石墨的加入提高了試樣的抗熱震性。

　　相比鱗片石墨，微晶石墨抗氧化性差且雜質(zhì)含量較多，微晶石墨的加入降低了試樣的抗渣性。