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氮化硅结合碳化硅材料抗冰晶石侵蚀性能

添加时间:2020年7月15日  浏览次数:

随着炼铝技术的提高及大型预焙电解槽的广泛采用,传统的炭质侧衬材料损毁的问题日益严重,影响电解槽的积极技术指标,降低槽寿命。而SiC质耐火材料由于其卓越的性能,已经成为侧衬用材料的发展方向。

SiC质耐火材料分为氧化物结合和非氧化物结合两大类,而氧化物结合氮化硅以被证明不适合用于铝电解槽侧衬。非氧化物结合SiC包括Si3N4结合SiC、SiN2O结合SiC、Sialon结合SiC及重结晶SiC等。重结晶Si C由于价格过于昂贵,使用领域受到限制。

对于SiC质耐火材料的抗冰晶石侵蚀性能,国内外已有许多报道,但大都采用静态法,且缺乏系统的研究。本实验采用动态的旋转圆柱体法,主要研究Si3N4结合SiC、Si2N2O结合SiC及Sialon结合SiC材料抗冰晶石侵蚀性能的差异性,并探讨其侵蚀机理。

一:试样制备和实验方法

采用反应烧结法,分别指的Si3N4结合SiC、Si2N2O结合SiC及Sialon结合SiC试样,试样尺寸φ20X30,内孔φ7.其物理性能如表1所示。

本试验所用冰晶石分子比为2.3并加入5%CaF2及7%AL2O3。实验采用旋转圆柱体法,试验温度975℃,保温时间16h,旋转速度为200r/min。

二:实验结果与讨论

实验结果如图1所示。从图1中可以看出:三种SiC质材料都具有优异的抗冰晶石侵蚀性能,其中Si3N4结合SiC材料侵蚀最小,Sialon结合SiC次之,Sialon结合SiC材料相对较差。

对侵蚀后的SN、SNS、SA试样分别做SEM分析,发现试样的气孔明显减少,三种试样都被电解质完全渗透。图2为SN距表面3mm处机制部位SEM图,从中可清楚地看到基质与大颗粒的间隙及基质内气孔被电解质所填充的情况

Si3N4、SiC与冰晶石并不能直接反应,但其晶间玻璃相很容易被冰晶石蚀掉,这也正是SN试样侵蚀后表面疏松的原因。由于熔融电解质粘度很小,而Si3N4结合SiC材料又不能与电解质反应生成高粘度或高熔点的新相来阻挡电解质的渗入,所以试样被电解质完全渗透。

SNS试样表面蚀损较严重化,基质的量明显减少,有SiC颗粒脱落,有的SiC颗粒边缘稍微呈锯齿状。基质中气孔形状变得狭长,有的气孔形成了连续的通道。分析原样发现Si2N2O结合SiC试样表面基质和颗粒间有明显的缝隙,这就为电解质的渗入提供了通道。由于制样时需引入一定量的SiO2成分,势必导致含氧玻璃相增加,而玻璃相很容易与渗入的冰晶石发生如下反应

Na3ALF6+Si,O→SiF4+NaF+AL2O3

式中:Si,O代表含氧玻璃相,Si也可能是其它金属离子。正是由于以上原因,使试样的表层变得结构疏松而被冲刷掉。

SA试样侵蚀后,在距表面至试样内部约1mm厚带内,有大量的SiC颗粒边缘在朝着表面方向呈锯齿状,而且距表面越近,锯齿状越明显,说明SiC颗粒表面被冰晶石所侵蚀。EDAX分析表明,侵蚀后在表面附近形成了狭长的Si3N4带。这可能是由于赛隆中的AL2O3成分溶于电解质所致。因为冰晶石与AL2O3的反应产物为低熔点液相。因而破坏了材料基质和颗粒间的牢固结合,在本实验条件下,由于冲刷二加快了材料的蚀损,这也正是Sialon结合SiC材料侵蚀相对较严重的原因

三:渗透实验

参照表1分别指的Si3N4结合SiC、Si2N2O结合SiC、Sialon结合SiC质坩埚,坩埚尺寸为φ50X50,中孔为φ25X25。坩埚内装电解质15g,于975℃下保温6小时,实验后沿直径方向切开坩埚。经EDAX分析,电解质在坩埚中的渗透深度如表2所示。

从表2可以看出,虽然Si3N4结合SiC材料的显气孔率最大,但其抗电解质渗透性要明显优于Si2N2O结合SiC。

四:结语

(1)Si3N4结合SiC、Si2N2O结合SiC、Sialon结合SiC材料的抗冰晶石侵蚀能力次序:Si3N4结合SiC>Si2N2O结合SiC>Sialon结合SiC。

(2)Si3N4结合SiC材料的抗电解质渗透性要明显优于Si2N2O结合SiC和Sialon结合SiC材料

(3)相对而言,Si3N4结合SiC材料更适合用于铝电解槽侧衬。

关键词:氮化硅结合碳化硅   冰晶石   
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