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高炉用新型自结合碳化硅砖的性能分析

添加时间:2018年6月13日  浏览次数:

    自结合碳化硅砖是以β-SiC为结合相的碳化硅质耐火制品。该材料在国外大型高炉上广泛应用。抗碱性、抗渣性、抗热震性、抗氧化性和抗贴水溶蚀性是高炉用耐火材料的关键使用性能,是选用高炉内衬的重要依据。在本工作中,对这种新型自结合碳化硅砖的部分使用性能进行了较全面的分析,期望更多的耐火材料研究者和高炉设计者关注并充分使用这种高性能的自结合碳化硅耐火材料。

  1 试样的常规性能

  新型自结合碳化硅砖试样从砖型为530mm×225/206mm×215mm质量为69kg的梯形砖上切取,试样记为SC;采用本公司生产的砖型为345mm×150mm×75mm的Si3N4结合碳化硅高炉砖作为对比试样,试样记为SN。表1比较了试样SC和SN的常规理化性能,由表1可知,试样SC致密度最高,常温,高温力学性能良好,略低于试样SN的,但明显优于试样SC-JP和SC-1995的;试样SC中SiC含量明显优于试样SC-JP和SC-1995的。

  表1 不同SiC试样理化性能指标比较

  

  图1比较了试样SC和SN的线膨胀率,可以看出试样SC的线膨胀率略高于试样SN的。图2比较了试样SC和SN两种材料的热导率,可看出在600~1000℃范围试样SC的热导率较试样SN高约10%~25%,这对高炉中部内衬是有利的。

  

  图1 试样线膨胀率随温度的变化

  

  图2 试样热导率随温度的变化

  2 使用性能

  2.1 抗碱性

  采用与GB/T14983-2008相近的试样方法。将尺寸为25mm×25mm×70mm的试样放入不锈钢盒内,用无水K2CO3掩埋,在N2气氛、930℃煅烧6h,N2气氛下冷却至常温,在流动的水槽中将试样充分冲洗,在150℃干燥5h,测试样侵蚀前后的质量和尺寸的变化,试验结果见表2。图3是熔碱侵蚀后试样的外观照片。可以看出;试样SC侵蚀后棱角无缺损,表面平滑,表明K2CO3渗入材料内部不多;而试样SN侵蚀后棱角缺损严重,表面疏松,表明基质侵蚀严重。所以,试样SC表面取样作XRD分析的结果看出,熔碱试验后,其物相组成与原样基本一样(见图4),表明次试验条件下渗入的K2CO3少,K2CO3未与SiC发生明显反应。而试样SN中的Si3N4与K2CO3发生了明显反应。而试样SN中的Si3N4与K2CO3发生了明显反应,生成低熔点的偏硅酸钾和二硅酸钾,使材料基质遭受严重破坏。

  表2 熔碱侵蚀试验结果

  

  

 

  图3 熔碱侵蚀后试样外观

  

  图4 试样SC经熔碱试验后的XRD的图谱

  2.2 抗渣性

  试验方法为静态浸泡法。采用碳管炉加热,Ar气氛,将高炉渣粉压块后放入钼质坩埚内,用钼质的夹具尺寸为120mm×20mm×10mm的T型试样置于坩埚上方,待1550℃高炉渣完全融化后,将试样浸入渣液中,浸入深度65mm,1550℃浸泡6h后将试样提出熔渣液面,在Ar气氛下自然冷却。高炉渣组成(w):CaO 40.76%、SiO 34.04%、MgO 7.77%、Fe2O3 0.38%,m(CaO):m(SiO2)=1.2。

  图5为抗渣试验后试样外观照片。可以看出,肉眼观察试样SC和SN未见侵蚀,试样SC表面附着很薄的一层渣,试样SN表面的挂渣略多。图6为试样靠近渣面的SEM照片。可以看出,试样SC表面轻微渗透,内部与表面基质均匀:试样SN表面约为1mm的熔渣渗透层。

  

  图5 渣侵蚀后试样外观

  图7为渣侵蚀后Ca元素由外到内的变化情况。从图7看出,自结合碳化硅材料表面与内部钙元素含量保持较低水平,而氮化硅结合碳化硅材料从表面到2mm处Ca含量从较高水平逐渐下降,之后就不再变化,其Ca含量一直高于自结合碳化硅材料。所以,此试验条件下两种材料在高炉渣浸泡后都有少量渣元素扩散,氮化硅结合碳化硅试样表皮基质由明显的渗透层,而自结合碳化硅试样未出现渗透,可见所研制新型自结合碳化硅砖具有更好的抗高炉渣侵蚀的能力。

  

  图6 侵蚀后试样的显微结构照片

  

  图7 侵蚀后试样表面到内部基质中Ca元素含量变化

  2.3 抗热震性

  将25mm×25mm×150mm的试样在常温下快速置入1350℃电炉内,保温20min后迅速取出风冷,强制风冷至常温,循环5次,测试试样热震前后的常温抗折强度,比较不同试样的抗折强度保持率,结果见表3。从结果看,风冷热震后,试样SC的抗折强度保持率为正,而试样SN为负,表明试样SC的抗热震性能更优。

  表3 抗热震试验结果(1350℃风冷)

  

  3 结语

  (1)新型自结合碳化硅砖具有与氮化硅结合碳化硅砖相当的力学性能、热膨胀性以及更大的热导率。

  (2)新型的自结合碳化硅砖比氮化硅结合碳化硅砖具有更加优良的抗碱性、抗渣性和抗热震性。

  (3)新型自结合碳化硅砖用于高炉内衬可望具有良好的应用前景。

关键词:碳化硅砖      
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