合SiC复合材料对铁沟浇注料性能的影响.pdf

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1、S i 3 N 4 结合S i C 复合材料对铁沟浇注料性能的影响王成1，2 3杨利鹏2 3贺中央2 3李亚伟11 武汉科技大学湖北省耐火材料与高温陶瓷重点实验室湖北武汉4 3 0 0 8 12 濮阳濮耐高温材料(集团)股份有限公司河南濮阳4 5 7 1 0 03 河南省濮耐高温陶瓷材料工程技术研究中心河南濮阳4 5 7 1 0 0摘要通过在砧型0 3-S i C C 质铁沟浇注料中引入l-o 锄S i 3 N 4 结合S i C 复合材料的研究，结果发现引入l 0 加m S i 3“结合S i C 复合材料后会引起浇注料加水量增加，体积密度下降，显气率上升，抗折强度、耐压强度及高温抗折强度下

2、降，但浇注料的抗渣侵蚀能力却显著增强。关键词触2 0 3 一S i C C 质铁沟浇注料l 0 I I l m S i 3 N 4 结合S i C 复合材料前言现代高炉正向大型化、高风温、高顶压、长寿命化方向发展，高炉的利用系数日益提高，同时高炉铁沟的使用条件也变得更加恶劣。目前，大型高炉的铁沟普遍使用的是A 1 2 0 3 S i C 质低水泥或超低水泥浇注料，另外，在A】2 0 3 S i C C 质铁沟浇注料中引入部分尖晶石以提高浇注料抗铁水的渗透性，并应用在主沟的铁水线部位，也取得了好的使用效果】。由于氮化物具有热膨胀系数小、硬度大、弹性模量高以及热稳定性及化学稳定性好的特点，与渣和铁

3、均不能完全润湿，其抗渣铁的侵蚀性能很好，此外它的氧化产物能阻碍氧的扩散，起自保护作用团。氮化硅结合碳化硅作为一种复合材料，其成分中既含有S i 3 N 4，又含有A 1 2 0 3 S i C 质浇注料中的主要成分碳化硅，本工作通过在础2 0 3 S i c C 质铁沟浇注料中引入1 0 m ms i 3 N 4 结合s i C 复合材料，以研究其对铁沟浇注料性能的影响。1实验过程1 1 原料实验采用电熔致密刚玉(w(A 1 2 0 3)=9 9)、碳化硅(w(s i c)=9 7)、氧化铝微粉(w(A 1 2 0 3)=9 9)、球状沥青(软化点=1 2 0)、A 8 0 水泥(w 渊2 0

4、 3)-8 0)及s i 3 N 4 结合S i C 复合材料(w(s i 3 N 4)=2 0，w(s i C)7 8)为主要原料，。各试样的配料组成如表1。1 2 试样制备及检测按表1 将各组配方配好，加适量水在搅拌锅中混合，然后振动成型制成坩埚和4 0 m m 4 0 m m 1 6 0 m m的试样，经1 1 0 2 4 h 烘干后，坩埚中加入高炉渣1 4 5 0 3 h 烧成，试样分别经1 0 0 0 3 h 和1 4 5 0 3 h21。烧成。分别测定体积密度、显气孔率、抗折强度和耐压强度。高温抗折强度是根据G B 厂r 3 0 0 2 一1 9 8 2，温度是1 4 5 0 l

5、h，氧化气氛，试样预先经1 4 5 0 3 h 氧化气氛烧成。烧成后的坩埚沿中线剖开，测量坩埚中心截面上侵蚀(渗透)部分面积S，侵蚀(渗透)指数为s s 0 1 0 0，其中S o 为原坩埚中心孔的截面积。表l 试样的配料组成(叭)。试样编号瓣l 器2 襻3 嚣2 结果与分析2 1l 一0 I I u I l S i 3 N 4 结合S i C 对A 1 2 0 3 S i C C 质铁沟浇注料性能的影响添加1 O I r u I l S i 3 N 4 结合s i c 于A 1 2 0 3 s i C C 质浇注料中对浇注料加水量的影响如图1 所示。从中可以看出，随着1 O m m s i

6、3 N 4 结合s i c 加入量的增加，浇注料的加水量逐渐增加，这是因为1 一删i 3 N 4 结合s i C 含有部分s i 3 N 从而导致了加水量的增加，但加水量的增幅较小，因为1-0 n l n l 中含细粉s i 3 N。结合s i c 较少，另外，s i 3 N 4 结合s i C 中所含S i 3 N 4 的量只有2 2 左右，因此对浇注料的影响较小。由于加水量增加，对浇注料的物理性能也产生了影响。经1 1 0 2 4 h 烘干后，浇注料的体积密度下降，显气孔率升高，如图2，3 所示，这是由于加水量增加，浇注料在烘干时脱水所造成。由于加水量增幅较小，体积密度和显气孔率的变化也较

7、小。经1 0 0 0 3 h 和1 4 5 0 3 h 处理后，体积密度进一步下降，显气孔率又明显升高，这可能主要是因为球状沥青在高温下裂解碳化造成失重，同时在空气中烧成，部分碳氧化的结果。但同时也应该看到经1 0 0 0 3 h 和1 4 5 0 3 h 处理后，不同1 o m m s i 3 N 4 结合s i c 含量试样的体积密度和显气孔率变化不大，这是由于浇注料中的碳化硅和氮化硅在高温下空气中发生了氧化反应形成了S i 0 2，与浇注料中其他组分发生反应并烧结而在浇注料表面形成了致密的保护层，阻止了进一步氧化。在浇注料中加入l _ 0 n u I l S i 3 N。结合S i C

8、也对材料的常温耐压强度、抗折强度和高温抗折强度产生影响(如图4、5 和表2)。从中可以看出，随着1 一O m m s i 3 N 4 结合s i C 的加入量增加，1 1 0 2 4 h 烘干后试样的抗折强度、耐压强度呈下降趋势，这主要由于1 o 衄s i 3 N 4 结合s i c 加入量增加，浇注料的加水量随着增加，导致浇注料中气孔增多。即使如此，在浇注料中加入9 1 O m m S i 3 N 4 结合s i C，其仍保持较高的常温强度。这是由于在A 1 2 0 3 S i C C 质铁沟浇注料中加有3 的水泥及部分s i 0 2 微粉，铝酸钙水化形成凝聚一结晶网而产生坚固的结合，另外s

9、 i O：微粉与水混合后，会产生凝聚结合，即浇注料通过水化结合和凝聚结合来产生低温下的强度。而在1 0 0 0。c 温度下，浇注料中的A 1 2 0 3 微粉与s i 0 2 微粉在低温下水化，后经脱水聚合22后形成网状链，在中温范围内不会太大改变，从而保证了浇注料在中温阶段有相当高的强度。在1 4 5 0 c c温度下，浇注料中发生更加复杂的反应。上述网状链结构有可能反应形成针状交错的莫来石晶体，同时添加的1 栅s i，N。结合s i c 中的s i 3 N 4 在高温下与浇注辩中的A 1 2 0，、氧化硅和吼水泥形式引入的氧化钙等发生反应形成钙赛隆及其他形式的赛隆相”】，从而提高浇注料的强

10、度。但随着1 椭m s i，N。结台s j c 加人量的增加，浇注料的加水量升高，浇注料内部的气孔缺陷也增多，同时s b N t 是共价键化合物，过多的s i 3 N 一的存在阻碍了材料的烧结，故浇注料的常温抗折强度、耐压强度和高温抗折强度也随之下降。036l 一0 m m s l3 结台s l c 加人量036l o：【I m s l3 m 结合s l c 加入量圈l1 0 m m s b N。结台s i c 对加水量的影响图21 _ o m m s b N 4 结合s l c 对体积密度的影响蛊2o鼍鬟王。螺帽啦-瓣矗扩趟一|r d af 一1 一1 1 0。u 一45 口tO361 一o

11、 m s l3 地结台s l c 加入量国31 O r m s l 3 N 4 结合s l c 对显气孔率的影响l o n m s l3 f“结台s l c 加入量O361 一o m m s l3 N 滞台s l c 加入量离41-o m m S j 3 N 膳食s i c 对抗折强度的影响圈51 0 雠s i 灿结合s i c 对耐压强度的影响裹21 m 砌娼州4 结合s 删离瀛抗折强度的影响!堡竺!墅些塑量!坚塑量：丝12!壹熊堑堡匡堡12 塑；墨i2：登2：1 2鳖目，6龄静孽*1 0 m m s i 3 N 一结合s i c 加入量浇注料的抗渣性能影响如图6 所示可以看出，l _ 0

12、m ms b N 4 结合s i c 废砖料加人量从3 增加到6 时，浇注料的抗侵蚀性增加幅度较小，但增加到9 时，其抗侵蚀性则明显增强。因为1-0 m m s i 3 N 4 结台s i c 只含有2 0 左右的s i 3 N 4，只有浇往料中s i 3 N；总量达到一定程度后，才会有良好的抗渣性。r O36l 一0 咖s 13 N 结合s l c 加入量围61 _ 0 l n l s b N 4 结合s i c 对抗侵蚀性的彩响2 2 最徽瞎掏分析切取抗渣坩埚的受侵蚀部分制成试样，研磨抛光后在描扫电镜(s 脚)下观察了浇注料的蚀变结构。图7 为加9 l 山n m S i#嘴合s i c 的

13、浇注料渣侵蚀后的显微结构照片，由图中可以看出，侵蚀试样渣层、原砖层(未变层)界面清晰，其变质屡很薄。对各层做E D s 分析可知，在渣层中1 处c a o 的含量为3 85 6，离渣层很近的基质部分2 处的c 帕的含量为31 8，这说明渣的渗透非常轻徽。上述各层中钙元素含量的变化，可以清楚地说明了渣中钙元素向浇注料中侵蚀和渗透过程。在原砖屡中的钙元素系浇注料中以结台荆铝酸钙水泥形式引人。图8 为3 社 擀沿藏渗透方向c a 元素含量的线分析圈，可以看出，c a 元素含量峰值沿渣渗透方向急剧下降，说明在加入l _ o m ms i 3 N 稿 合s i c 后，浇注料阻止渣的渗透能力明显增强。图

14、7 试样3#渣蚀后的显微结构照片图8 试样3 粑a 元素台量线分析在试样变质层的另一处对其进行s E M 显微结构分析，发现有一白色区域，如图9 所示。对图9 中的白色区域进行能谱(E D s)分析，结果如图l O。i0掌稚帮斜|啷一图9 抗渣祥反应屡显微结构图l o 抗渣样中白色区域的耗谱分析从图4 1 0 可以看出，l 和F e 的衍射蜂最强，由于在衍射中，M n 和F c 的衍射蜂是重叠的，在变质屡中不可能有I 的存在，可以确定白色区域为单质的铁，这说明A l z 0 3-s i c c 质浇注科中加入1 O m m s i 3 N 一结合s i c 后，浇注料的反应屡中有单质铁的生成，

15、而浇注料中所加氮化硅铁中的s i 3 N t 将渣中铁的氧化物还原成单质铁的弼时放出N 2，阻止熔渣的渗A。3 结论(”随着l _ 0 r r I m s 吼结台s l c 的加入最的增加，A】。o。一s|c c 质浇注料的加水量增加、体积密度减小、显气孔率上升、烘干及中高温烧后强度降低，高温抗折强度下降。(2)随着“h m s i 3 N 4 结合s i c 的加入量的增加，浇注料抗渣侵蚀性提高，当加入量超过9 时抗渣性能明显增强。参考文献i l】全荣辟添加尖晶石对A 1 2 码-s j c c 质浇注料的影响嗣外耐火材料，1 9 9 9，64 9 j 3【2 j 张勇，彭这岩，文洪杰，冯涤氮化硅铁结台s I c 复合材料的氧化行为耐火材料t2 0 0 5，3 9(2)9 4 9 71 3】王佩玲，贾迎新，张骋孙维莹c a f a _ s l d o n 的形成特性和显微结构的研究无机材科学报，1 9 9 9，1 4(5)7 6 3 0 6 8作者通讯地址：河南省淮阳市赣上南路灌阳淮耐高撮材料(集砸)股份有限公司技术中心邮编：4 5 7 1 0 0 传真：9 3-3 2 1 4 1 0 6 电话：0 3 9 3-3 2 1 4 1 0 21 3 5 1 3 9 3 t 2 1 9e _ m a i l：幽衅曲塑畦照鱼塑蚴