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    碳化硅(SiC)及其在耐火材料中的应用

    编辑:耐火浇注料   时间:2020-04-20    浏览:   
    碳化硅(SiC)又称金刚砂,天然的很少,工业上用的都为人工合成原料 。它有两种晶型:低温形态的β-SiC,属于立方结构,高温形态的α-SiC,属于六方结构 。其真密度为3.21g/cm3,分解(升华)温度为2600℃ 。它是一种硬质材 料,其莫氏硬度为9.2 。SiC的热膨胀系数不大,在25℃~1400℃范围内,SiC的平均热膨胀系数为4.4×10-6/℃ 。

    SiC具有很高的导热系数(58.6W/m·K) 。由于测定方法及被测试样气孔率、气孔形状不同,所以文献中数值不完 全一致 。通常SiC含量越高,温度越低,导热系数越大 。低热膨胀系数和高导热系数可使SiC质耐火材料具有良好的热 震稳定性 。


     
    在低温下,SiC的化学性质比较稳定,耐磨蚀性能优良,在煮沸的盐酸、硫酸和氢氟酸中也不受侵蚀 。但在高温 下可与某些金属、盐类、气体发生反应 。SiC在还原气氛中直至2600℃仍然稳定,但在高温氧化气氛中会发生氧化作 用:

    SiC+2O2→SiO2+CO2 (1)

    此外,SiC材料是一种非氧化物,共价键性极强,与氧化物烧结性较差 。 碳化硅(SiC)在耐火材料中的应用 SiC因 具有热膨胀系数小、热导率高、高温强度大、抗渣性好和可形成保护性氧化等优点而被广泛用作高性能耐 火材料或作为提高耐火材料性能尤其是抗渣性和热震稳定性的添加物使用 。

    1、碳化硅(SiC)在定形耐火材料中的应用

    在定形耐火材料中,SiC既可以作为主成分制成SiC制品,也可以作为添加成分制成半SiC质制品 。

    SiC质耐火材料是指以工业SiC为原料经烧制而成的一种以SiC为主成分的高级耐火材料,亦叫SiC制品 。SiC制品 可按SiC含量、结合剂种类和加入量来分类,材料的性能很大程度上取决于材料中SiC颗粒间的结合状况,故通常按结 合相种类对SiC制品进行分类 。根据结合相的不同,SiC制品可分为:氧化物结合SiC、氮化物结合SiC、自结合SiC、 渗硅反应烧结SiC等 。

    半SiC质制品是以SiC为次要成分或辅助成分的含SiC耐火制品 。按其材质不同,它可分为粘土熟料SiC制品、高铝 SiC制品和刚玉SiC制品等 。由于这类制品含有SiC,因 此其热震稳定性,导热性和强度显著提高 。如在粘土熟料SiC制品加入少量SiC,对提高制品的热震稳定性有显著效果,且随着配料中SiC细粉含量增加,制品的热震稳定性逐渐提高; 在高铝SiC制品加入适量SiC(最适宜加入量是30%),并加入适量磷酸,制品具有高的热震稳定性与良好的热传导性, 其强度亦较高;在刚玉SiC制品加入少量SiC细粉可显著改善其热震稳定性,随着SiC细粉量增加,热震稳定性有规律地 提高,如以棕刚玉为骨料,加入10%SiC细粉,用磷酸为结合剂,经高压成形,到1450℃热处理而制得的轧钢加热炉 用滑轨砖,应用效果良好 。

    2、碳化硅(SiC)在不定形耐火材料中的应用

    在不定形耐火材料中,SiC既可以作为主成分制成SiC质浇注料,也可以作为添加成分来改善其它浇注料的性能, 尤其是抗渣性和热震稳定性 。本课题主要研究SiC为添加成分时对浇注料性能的影响,故仅就此方面进行综述 。SiC对 浇注料性能改善的研究主要集中在刚玉质浇注料和高铝质浇注料等方面 。

    在1999年研究开发了Al2O3-SiC-C质高炉出铁沟自流浇注料,该浇注料具有强度高、耐侵蚀性好、通 铁量高以及良好的抗热震性和抗氧化性能等 。常玉国等针对国内大中型高炉出铁沟的使用条件,对传统的铁沟浇注料 的结构与性能进行了优化,重点研究了碳化硅的加入量、减水剂和中温烧结剂对浇注料性能的影响,在此基础上研制 成功了一种具有优异中、高温性能的浇注料,在1050m3高炉上一次通铁量达10万t,使用效果良好 。SiC在不定形耐 火材料中的应用最常见的是用于高炉出铁沟工作衬,已有20余年的历史,使用效果良好 。目前,国内外较大型高炉普 遍采用的都是Al2O3-SiC-C质浇注料,使铁沟的使用寿命得以大大延长 。此外,含SiC不定形耐火材料还广泛应用于 钢铁行业的铁水预处理器衬体、冲天炉和感应炉衬体;垃圾焚烧炉的燃烧室侧墙衬体和锅炉管保护衬;水泥工业的水泥窑 预热器衬体;火电厂的旋风分离器衬体、循环流化床炉的燃烧室、内衬及高温分离器;陶瓷行业的烧成窑棚板以及出硅口 和出铝口等 。

    通过研究SiC加入量(0%、2%、4%、6%和8%)对矾土基浇注料高温强度及热震稳定性的影响,指出 加入SiC后(4-16%)有利于提高浇注料的高温强度和热震稳定性 。为了提高高铝浇注料的烧结物理和耐火性能,Zawra hM.F等人研究了SiC加入量(0%、2%、4%、6%和8%)对高铝质浇注料性能的影响,研究表明增加SiC的含量可改善高 铝质浇注料的烧结、物理和耐火性能,但是对半成品的强度有所影响 。刘新红等人研究了加入非氧化物(SiC,SiAlO N)对矾土基浇注料基质流变性和浇注料流动性的影响 。结果表明:加入适量的SiC细粉(不超过8%)有利于提高浇注料 流变性;SiAlON细粉对浇注料流变性有不利影响 。白宏光等人研究了SiC加入量和粒度对耐火浇注料性能的影响 。研究 发现,在浇注料基质内加入6%的150目SiC可以改善耐火浇注料的抗热震稳定性 。

    综上可见,加入SiC后可以改善Al2O3-SiO2系浇注料的高温强度和热震稳定性 。但对SiC抗铅渣侵蚀性能的研究 还未见报道 。因 此,本文选用SiC为添加物,探讨SiC加入量对Al2O3-SiO2系浇注料抗铅渣侵蚀性能的影响 。

    SiC作为非氧化物还能在众多领域中有着广泛用途,主要是因 为它能在其表面生成一层致密的SiO2保护膜而具有 良好的抗氧化性能 。但SiC在热力 学上其实很容易与空气中的氧气反应 。在实际应用中,特别是在高温、低氧压和长 时间的作用下,SiC氧化速度非常快 。因 而从本世纪60年代以来,国内外众多学者对SiC的氧化问题进行了长期大量的 研究工作 。

    通过对SiC表面高温氧化层的微观结构的研究,发现SiC材料在1040~1560℃范围内,产生的氧化层对其 高温下的抗氧化性能的影响有如下特点:

    1)在1360℃以下,SiC颗粒表面形成的氧化层很薄,微观结构无明显变化, 抗氧化性能较好,处于抗氧化的稳定阶段 。

    2)当超过1360℃后,随着温度的提高,SiC表面的氧化层厚度明显增加 。 所形成的氧化层存在许多孔洞,但是由于氧化层的逐步增加,SiC仍然表现出足够高的抗氧化性能,此阶段为过渡阶 段 。

    3)高于1520℃后,氧化层的厚度较大且外表面较为平坦 。但处于熔融态的SiO2流动能力 较强,使SiC颗粒的棱 角处氧化层变薄,SiC氧化反应的气体易于由此逸出而形成孔洞,为氧的进入提供了通道,使SiC的氧化速度加快,该 阶段为快速氧化阶段 。

    4)表面所形成的SiO2层与SiC基体之间无明显过渡区域 。

    对各种纯SiC及含有少量杂质的SiC在不同条件下的氧化行为进行了全面系统的综述,对今后SiC氧化 行为的研究具有一定的指导意义 。

    但SiC添加到Al2O3-SiO2系浇注料中的氧化动力 学问题还无人对其进行系统研究 。且由于SiC氧化本身的复杂性 以及实验原料和实验条件不同,得出的结论也有所不同,至今许多问题尚未达成共识,有待进一步深入研究 。

    郑州信科耐火材料有限公司将始终秉行“以市场为技术导向,以质量为发展根本,以"合作互利、共同发展"的经营理念为根基,深受国内外众多客户的信赖与支持,郑州信科耐火材料有限公司愿与行业同仁一道共谋发展大计,共创事业辉煌 。

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