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SiC耐火材料的三大高溫性能

編輯:耐火澆注料   時間:2020-11-25    瀏覽:   

     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于鋼鐵及有色 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。SiC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,Si C的高溫氧化可分為惰性氧化和活性氧化兩種。當O2分壓低于10-4Pa時,SiC發生產物為SiO氣相、凈重減少的活性氧 化;當O2分壓高于10-4Pa時,SiC發生產物為SiO2、凈重增加的惰性氧化,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SiC材料的使用壽命。因此,提高SiC材料的抗氧化性能是設計及制備SiC材料 必須考慮的因素。

     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,并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。

     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。采用溶膠-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涂層,研究了涂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:莫來石涂層的生成可顯著提高再結晶SiC材料的高溫抗氧化能力,且隨涂層厚度的增加,再結晶SiC材料的抗氧化 能力也提高。用溶膠-凝膠法在SiC晶須表面涂覆了Al2O3、SiO2及Mullite(莫來石)涂層。抗氧化實驗結果表明,三種涂層的存在均有益于SiC抗氧化性能的提高。

     總之,SiC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SiC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

     SiC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、熱膨脹系數、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。

     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 震性能優于莫來石及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Si2N 2O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。

     高鋁磚采用反應燒結的方法制備了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。

     對反應燒結SiC材料的抗熱震性能進行了研究。結果表明:殘余Si含量低且SiC顆粒小的材料的抗熱震性 能優于殘余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

     由于鋁液對SiC不潤濕,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。

     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顆粒脫落并掉至冰晶石熔體中,導致材料被侵蝕。

     采用坩堝法研究了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 下制備的Si3N4結合SiC耐火材料經20h的侵蝕后,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。

     采用靜態坩堝法研究了礬土基Sialon結合剛玉-SiC復合耐火材料在1273K下的抗冰晶石侵蝕性能。結果表 明:在該條件下冰晶石對復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,SiC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SiC耐火材料的抗冰晶石侵蝕性能。

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