ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ ВЛИЯНИЕ НАНОДОБАВОК НА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОГНЕУПОРОВ Al2O3 – C И MgO – C

Глиноземистые и магнезиальные огнеупоры на углеродной связке, содержащие после обжига примерно 30 и 10 мас. % остаточного углерода, широко применяются в металлургии. В составы, содержащие меньшее количество остаточного углерода после обжига, вводятся добавки наномагнезиальноглиноземистой шпинели (MgAl₂O₄), пластинки оксида алюминия (α-Al₂O₃), углеродные нанотрубки (CNTs); эти добавки могут вводиться отдельно или в сочетании с другими добавками. Авторы настоящей статьи исследовали эти составы с точки зрения их физических, механических и термомеханических свойств. Что касается состава системы Al₂O₃ – C, то сочетание нанопорошков углеродных нанотрубок и нанопластинок оксида алюминия ведет к улучшению термостойкости материала и уменьшению в нем примерно на 30 % количества остаточного углерода по сравнению с этими показателями материала с обычными добавками после спекания при низкой температуре (1000 °C). Кроме того, исследуемый состав был доведен до функционального состояния благодаря реакции между нанопластинками Al2O3 и углеродными трубками CNTs, в результате чего образовалась новая фаза Al₃CON, которая является химически взаимосвязывающей и для углеродного, и для глиноземистого заполнителя. Новая композитная структура продемонстрировала отличные термомеханические свойства несмотря на более низкое содержание углерода, в то время как фаза Al₃CONбыла обнаружена на поверхности излома обожженных образцов под электронным микроскопом с обратным рассеиванием (EBSD). Что касается системы MgO – C, то в ней наилучшие термомеханические показатели могут быть достигнуты при введении наномагнезиальноглиноземистой шпинели или нанопластинок Al₂O₃, т. е. шпинельсодержащих или шпинельобразующих нанодобавок. Оба состава MgO – C, спеченные при 1000 °C, достигли термомеханического уровня контрольного состава с двойным количеством графита. 

1. Khezrabadi, M. N.; et al.: The eff ect of additives on the properties and microstructures of Al2O3 – C refractories. J. Mater. Sci. 41 (2006) 3027 – 3032.

2. Yamaguchi, A.: Self-repairing function in the carbon-containing refractory. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 4 (2007) [6] 490 – 495.

3. Sunayama, H.; et al.: The eff ect of B4C addition on the oxidation resistance of Al2O3 – C and Al2O3 – SiC – C refractories, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, USA, (1997) 841 – 849.

4. Zhang, S.; Yamaguchi, A.: A comparison of Al, Si and Al4SiC4 added to Al2O3 – C refractories, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories USA, (1997) 861 – 869.

5. Vieira Jr., W.; Rand, B: The nature of the bond in silicon-containing alumina-carbon refractory composites — Part I, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, USA, (1997) 831 – 840.

6. Zhang, S.: Next generation carbon-containing refractory composites. Adv. Sci. Technol. 45 (2006) 2246 – 2253.

7. Luhrsen, E.; Ott, A.: Immersion nozzles for metal melts. United States Patent 5.171.495, 15. December 1992.

8. Wang, T.; Yamaguchi, A.: Antioxidation behavior and eff ect of Al8B4C7 added to carbon-containing refractories. J. Ceram. Soc. Japan 108 (2000) [9] 818 – 822.

9. Pitkethly, M. J.: Nanomaterials — the driving force. Materials Today 7, Supplement 1 (2004) [12] 20 – 29.

10. Tamura, S; et al.: Nano-Tech. Refractories – 1: The development of the nano-structural matrix, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Japan, (2003) 517 – 520.

11. Aneziris, C. G.; Borzov, D.; Ulbricht, J.: Magnesia-carbon bricks — a high-duty refractory material. Interceram Refractories Manual (2003) 22 – 27.

12. Takanaga, S.; et al.: Nano-Tech. Refractories – 2: The application of the nano structural matrix to MgO – C bricks, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Japan, (2003) 521 – 524.

13. Takanaga, S.; et al.: Nano-Tech. refractories – 3: Development of «MgO – Rimmed MgO – C bricks», in: Proc. of the Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, USA, (2005) 148 – 151.

14. Matsui, T.; et al.: Characteristics and applications of nano-tech. Magnesia carbon bricks, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, USA, (2005) 176 – 179.

15. Shiratani, Y.; et al.: Nano-Tech. Refractories – 4: The application of the nano structural matrix to SN plates, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, USA, (2005) 575 – 578.

16. Hattanda, H.; et al.: Nano-Tech. Refractories – 7: Application of nano structured matrix to SN plates, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Germany, (2007) 204 – 207.

17. Haren, K.; et al.: Improvement of thermal spalling resistance of alumina-graphite materials by nanotechnology, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Germany, (2007) 358 – 361.

18. Aneziris, C. G.; et al.: Interaction of carbon nanotubes in Al2O3 – C refractories for sliding gate applications, in: Summary Booklet (Abstracts) Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Brazil, (2009) 8.

19. Aneziris, C. G.; et al.: Functional refractory material design for advanced thermal shock performance due to titania additions. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 4 (2007) [6] 481 – 489.

20. Braulio, M. A. L.; et al.: Spinel-containing alumina-based refractory castables. Ceram. Int. 37 (2011) 1705 – 1724.

21. Arasu, V. C.; et al.: Infl uence of nano-additives on thermo-mechanical properties of alumina castables, in: Summary Booklet (Abstract) Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Brazil, (2009) 24.

22. Lipinski, T. R.; Drygalska, E.; Tontrup, C.: The infl uence of additions of nanostructured Al2O3-powder on the high temperature strength of high alumina refractories, in: Summary Booklet (Abstracts) Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Brazil, (2009) 12.

23. Sen, A.; et al.: Eff ect of nano-oxides and antioxidants on corrosion and erosion behavior of submerged nozzle for longer sequence casting of steel, in: Summary Booklet (Abstracts) Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Brazil, (2009) 8.

24. Aksel, C.; et al.: Thermal shock behavior of magnesia-spinel composites. J. Eur. Ceram. Soc. 24 (2004) 2839 – 2845.

25. Ghosh, A.; et al.: Eff ect of spinel content on the properties of magnesia-spinel composite refractory. J. Eur. Ceram. Soc. 24 (2004) 2079 – 2085.

26. Musante, L.; et al.: High temperature mechanical behavior of Al2O3 – MgO – C refractories for steelmaking use. Ceram. Int. 37 (2011) 1473 – 1483.

27. Schwartz, A. J.; Kumar, M.; Adams, B. L.: Electron backscatter diff raction in materials science. New York 2000.

28. Humphreys, F. J.: Review: Grain and subgrain characterisation by electron backscatter diff raction. J. of Mater. Sci. 36 (2001) 22.

29. Berek, H.; et al.: Thermal induced phase trasformations in Mg – PSZ fi ne-grain ceramics investigated by XRD and EBSD. Refractories WORLDFORUM 3 (2011) 123.

30. Berek, H.; et al.: Determination of the phase distribution in sintered TRIP-matrix/Mg-PSZ composites using EBSD. Steel Res. Int., Special Issue TRIP matrix composites. In press, 2011.

31. ICDD, ICDD PDF-2 database release 2008, International Centre for Diff raction Data (ICDD), 2008.

32. Roungos, V.; Aneziris, C. G.: Improved thermal shock performance of Al2O3 – C refractories due to nanoscaled additives. Accepted paper for publication in Ceram. Int. DOI: 10.1016/j.ceramint.2011.08.011.

33. Aneziris, C. G.; Hubalkova, J.; Barabas, R.: Microstructure evaluation of MgO – C refractories with TiO2and Al-additions. J. Eur. Ceram. Soc. 27 (2007) 73 – 78.

34. Wagner, R. S.; Ellis, W. C.: The vapor-liquidsolid mechanism of crystal growth and its application to silicon. Trans. Met. Soc. AIME 233 (1965) 1053 – 1064.

35. McMahon, G.; Carpenter, G. J. C.; Malis, T. F.: On the growth mechanism of silicon carbide whiskers. J. Mater. Sci. 26 (1991) 5655 – 5663.

36. Silva, P. C.; Figueiredo, J. L.: Production of SiC and Si3N4 whiskers in C + SiO2 solid mixtures. Mater. Chem. Phys. 72 (2001) 326 – 331.

37. Yang, G.; et al.: Direct observation of the growth process of silicon carbide nanowhiskers by vapor-solid process. Physica E 39 (2007) 171 – 174.

38. Gustafsson, S.; et al.: Alumina/silicon carbide composites fabricated via in situ synthesis of nanosized SiC particles. Ceram. Int. 35 (2009) 1293 – 1296.

39. Li, Y. W., et al.: Formation of dumbbell-shaped β-SiC whiskers in Al2O3 – ZrO2 – C composite refractories. Interceram Refractories Manual (2005) 20 – 23.

40. Wu, R.; et al.: Prism-shaped SiC nanowhiskers. J. Alloys Compd. 453 (2008) 241 – 246.

41. Guoqi, L.; et al.: Eff ect of additives on the properties of Al2O3-graphite material heat-treated in nitrogen atmosphere, in: Proc. Unifi ed Int. Techn. Conf. on Refractories, Mexico, (2001) 1412 – 1417.

42. Friede, B.; Jansen, M.: Some comments on so called «silicon monoxide». J. of Non-Crystalline Solids 204 (1996) 202 – 203.

43. Biehl, E.; Schubert, U.; Kubel, F.: Reduction of solid silicon monoxide by elemental metals. New J. Chem. 25 (2001) 994 – 998.

44. Schulmeister, K.; Mader, W.: TEM Investigation on the structure of amorphous silicon monoxide. J. of Non-Crystalline Solids 320 (2003) 143 – 150.

45. Zhang, S.; Mariott, N. J.; Lee, W. E.: Thermochemistry and microstructures of MgO – C refractories containing various antioxidants. J. Eur. Ceram. Soc. 21 (2001) 1037 – 1047.

46. Bavand-Vandchali, M.; et al.: The infl uence of in situ spinel formation on microstructure and phase evolution of MgO – C refractories. J. Eur. Ceram. Soc. 28 (2008) 563 – 569.