碳化矽耐火材料的三大高溫性能

2021-01-08 找耐火材料網

SiC以其穩定的高溫化學性能、優異的高溫強度、高的耐磨性能及良好的抗熱震性能而被廣泛應用於鋼鐵及有色冶煉行業的關鍵部位,如高爐風口、內壁及陶瓷杯、各種爐壁的內襯材料及窯具材料等。與金屬和金屬間化合物相比,它具有更高的高溫強度和抗蠕變性能。與氧化物陶瓷相比,它具有更高的熱導率和抗熱震性能。碳化矽耐火材料的高溫性能具體如下:

1、SiC耐火材料的高溫抗氧化性能

SiC雖然性能優異,但在長期使用過程中容易被氧化。國內外學者對SiC的氧化過程作了大量研究。結果表明,SiC的高溫氧化可分為惰性氧化和活性氧化兩種。當O2分壓低於10-4Pa時,SiC發生產物為SiO氣相、淨重減少的活性氧化;當O2分壓高於10-4Pa時,SiC發生產物為SiO2、淨重增加的惰性氧化,SiO2保護膜的生成可以阻止氧化的進一步發生;但當氧化溫度在1473K以上時,SiO2在高溫下轉化為方石英,發生體積膨脹,使氧化膜的結構破壞,產生裂紋,進而導致材料內部的氧化,嚴重影響了碳化矽材料的使用壽命。因此,提高SiC材料的抗氧化性能是設計及製備碳化矽耐火材料必須考慮的因素。

碳化矽磚

黃清偉等研究了氣孔率為11.5%的自結合SiC材料在1573K空氣氣氛中的高溫氧化行為。研究結果表明:氧化初期形成的非晶態SiO2可對材料中的孔隙與裂紋尖端起鈍化作用,使得材料的室溫強度隨氧化時間的增加而增加。當氧化時間為22.5h時,耐火材料的強度最高,可達293MPa;隨著氧化時間的繼續增加,非晶態SiO2晶化形成方石英破壞氧化膜的結構,並在冷卻過程中產生新的表面裂紋,造成材料室溫強度的降低。

叢麗娜等研究了在SiC中添加不同量氧化鈣、氧化鋁及氧化鋯對SiC材料在不同溫度下抗氧化性能的影響。實驗結果表明:添加2wt%的氧化鋁時,SiC材料的抗氧化效果最好。呂振林等採用溶膠-凝膠法在不同顆粒尺寸的再結晶SiC材料表面上生成莫來石塗層,研究了塗層厚度和顆粒尺寸對再結晶SiC材料在1773K時高溫氧化行為的影響。結果表明:莫來石塗層的生成可顯著提高再結晶SiC材料的高溫抗氧化能力,且隨塗層厚度的增加,再結晶SiC材料的抗氧化能力也提高。張宗濤等用溶膠-凝膠法在SiC晶須表面塗覆了Al2O3、SiO2及Mullite(莫來石)塗層。抗氧化實驗結果表明,三種塗層的存在均有益於SiC抗氧化性能的提高。

氮化矽結合碳化矽磚

總之,碳化矽耐火材料雖然具有比較好的抗氧化性能,但是氧化到一定程度時,對材料結構的損毀卻是致命的,因此研究碳化矽耐火材料氧化過程的機理、控制及其對材料結構與性能的影響具有重要的意義。

2、SiC耐火材料的抗熱震性能

碳化矽耐火材料作為重要的高溫工業結構材料,對其抗熱震性能也有較高的要求。SiC材料的抗熱震性能不僅與其顯微結構、晶粒尺寸、內部缺陷的形狀與分布等有關,同時還與材料的強度、彈性模量、熱導率、熱膨脹係數、泊松比和氣孔率等物理性能有關。改進和提高SiC材料的抗熱震性能對其安全穩定的使用有著重要的意義。

劉春俠等概述了不同結合方式對SiC質窯具材料抗熱震性能的影響,結果表明,Si2N2O結合SiC窯具材料的抗熱震性能優於莫來石及Si3N4結合的SiC窯具材料。當Si2N2O含量≤20%時,Si2N2O結合SiC試樣的抗熱震性能隨Si2N2O含量的增加而提高,當Si2N2O含量超過20%時,試樣的抗熱震性能有所下降。

馬彬等採用反應燒結的方法製備了Si3N4-SiC和Sialon-SiC材料。研究結果表明,原位生成的Si3N4或Sialon結合相可以增加SiC材料的韌性,影響裂紋的擴展,調節高溫下應力的分布,提高材料在高溫下的塑性變形能力,進而增強SiC材料的抗熱震性能。

SiC

朱麗慧等對反應燒結SiC材料的抗熱震性能進行了研究。結果表明:殘餘Si含量低且SiC顆粒小的材料的抗熱震性能優於殘餘Si含量高且SiC顆粒大的材料。

3、SiC耐火材料的抗冰晶石侵蝕性能

由於鋁液對SiC不潤溼,且具有高導熱性、高化學穩定性能及優良的抗氧化性能而被用來作為鋁電解槽的槽底材料。鋁的冶煉一般是以冰晶石(Na3AlF6)為助熔劑,通過在電解槽中電解還原氧化鋁進行的,電解溫度通常為1173~1273K。因此,研究SiC材料對冰晶石的抗侵蝕性能有重要的實際意義。

孫菊等研究了冰晶石對不同非氧化物的侵蝕情況,如BN、SiC、Si3N4、A1N和TiN,結果表明這些非氧化物都有較好的抗冰晶石侵蝕性能,冰晶石熔體會進入Si3N4結合SiC耐火材料的氣孔,與結合相發生反應,結合相的侵蝕會使SiC顆粒脫落並掉至冰晶石熔體中,導致材料被侵蝕。

苗立鋒等採用坩堝法研究了Si3N4結合SiC耐火材料的抗冰晶石熔體侵蝕性能,結果表明,1273K下,空氣氣氛下製備的Si3N4結合SiC耐火材料經20h的侵蝕後,坩堝內壁僅有少量的腐蝕,表明材料具有良好的抗冰晶石侵蝕性能。

韓波等採用靜態坩堝法研究了礬土基Sialon結合剛玉-SiC複合耐火材料在1273K下的抗冰晶石侵蝕性能。結果表明:在該條件下冰晶石對複合材料的侵蝕量較少,侵蝕層厚度約1mm,侵蝕產物為NaAlSiO4,滲透層深度約6mm,滲透速率隨Sialon含量的增加而減小。

總之,碳化矽耐火材料具有很好的抗冰晶石侵蝕性能,從其侵蝕的機理看,侵蝕主要發生在冰晶石和結合相中的氧化物之間,如果能減小或者避免結合相中氧化物的含量,可進一步提高碳化矽耐火材料的抗冰晶石侵蝕性能。

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