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Sialon結合碳化硅材料

作者:admin 發布日期: 2019-12-06 二維碼分享

賽?。⊿ialon)是由Si、Al、O、N等元素組成的化合物總稱,包括β-Sialon、ɑ-Sialon、O-Sialon、含有Si、O元素的AlN多型體等。在耐火材料中,β-Sialon和O-Sialon已獲得工業應用,Sialon結合SiC制品現通常指β-Sialon結合SiC材料。β-Sialon是β-Si3N4中Si-N鍵被Al-O鍵部分取代而成的固溶體。在Si-Al-O-N四元特征相圖中,β-Sialon組成由Si3N4為起點向4/3AlN·Al2O3方向延伸,組成在相當大的范圍內變化,其化學式為Si6-zAlzOzN8-z,Z=0~4.2.o-Sialon是Si2N2O的固溶體,其形成機理與β-Sialon相同,也是由Al-O鍵取代Si-N鍵而形成,組成在較小的范圍內變化,其化學式為Si2-x-zAlxO1+xN2-x,X=0~0.2.β-Sialon晶體晶格常數比β-Si3N4大,晶體呈柱狀,一般比β-Si3N4粗大。β-Sialon具有Si3N4基陶瓷材料的優異性能,硬度大、機械力學性能優異、耐腐蝕、抗熱震、線膨脹系數比β-Si3N4稍低((2~3)×10-6℃-1),熱導率比β-Si3N4低,β-Sialon強度一般隨Z值的增大而降低。與Si3N4相比,β-Sialon的抗氧化性更好,對于Al、Fe、Zn等熔融液和堿的作用,其抗侵蝕能力更強。Sialon結合SiC制品主要采用反應燒結方法制備,其氮化燒成溫度通常比Si3N4結合SiC高,綜合生產成本略高于Si3N4結合SiC產品。至今Sialon 結合SiC 已在國內外許多高爐爐腰和爐腹部位獲得成功使用,被認為是高爐用SiC磚的第二代產品。國內外已對高爐用Sialon結合SiC材料進行了大量研究,洛陽耐火材料研究院在國內.早開發成功Sialon結合SiC制品,對其使用性能進行了系統深入的研究。
Sialon結合SiC材料的主晶相為SiC,次晶相為β-Sialon,有的產品可發現少量殘余Al2O3和15R相。在顯微結構上,Sialon結合SiC與Si3N4結合SiC 存在較大差異,圖14-24為Sialon結合SiC材料(取自洛陽耐火材料研究院產品)斷口顯微結構的典型SEM照片,結合相β-Sialon主要呈條柱狀或短柱狀,柱狀β-Sialon形成網絡將SiC顆粒緊密結合。Si3N4 結合SiC材料中,Si3N4主要為纖維狀晶體,這些晶體比表面積大,表面活性高,在氧化性氣氛中抗氧化性將不如柱狀晶體穩定。Sialon 和Si3N4結合SiC材料顯微結構的不同決定了二者在性能上存在差異。Sialon結合SiC制品理化性能指標見表14-124。與Si3N4結合SiC制品相比,二者物理性能相似,僅從常規的物理指標很難區分這兩種材料。在化學成分上,Sialon結合SiC中含有較多的Al2O3,而Si3N4 結合SiC制品中,A2O3含量很低。

對于高爐用SiC制品,SiC含量一般為70%~80%,在SiC相同或相近的情況下,Sialon結合SiC的線膨脹系數較Si3N4結合SiC略高(見圖14-21),熱導率略小。
Sialon結合SiC材料具有優異的常溫和高溫機械力學性能,多數產品的1400℃抗折強度高于其常溫抗折強度,這種現象與Si3N4 結合SiC材料相同。
 Sialon結合SiC材料具有極其優異的抗堿侵蝕性能。由表14-126可知,Sialon和Si3N4結合SiC材料均具有優良的抗堿侵蝕能力,但從實驗數據難以直觀判斷二者抗堿侵蝕能力的強弱。表14-126為Sialon、Si3N4結合SiC產品抗堿侵蝕的檢驗結果,采用GB/T14983- 1994方法,侵蝕時間為3 h, Sialon和Si3N4結合SiC均具有優良的抗堿侵蝕性能,似乎Sialon結合SiC的抗堿能力更強一些。

      荷蘭霍戈文公司(Hoogovens)開發了一種測試材料耐堿侵蝕的試驗方法。試驗方法如下:將120mmX25mmX20mm試樣在真空下置于濃度為4 M的K2CO3溶液中。試樣干燥后,測定浸人K2CO3后試樣的強度及強度變化率。同時,將原磚和浸漬試樣,分別在800℃、1000℃和1200℃、氧化性氣氛條件下煅燒16 h,測定兩種試樣相對應的強度,通過試樣強度變化率來衡量試樣的抗堿侵蝕性能。試驗表明,合格的Sialon、Si3N4和β-SiC結合SiC產品堿蝕后強度降低沒有明顯差別。材料的抗堿侵蝕性是預測高爐壽命.重要的參數之一,我國GB/T14983-1994標準和霍戈文公司的方法均難以明確判別Sialon結合與Si3N4結合SiC材料及抗堿侵蝕性能的優劣。
中鋼集團洛陽耐火材料研究院在國內.早開發應用了熔堿侵蝕實驗方法。實驗方法如下:將125 nmm1X 25mmX25mm試樣置于不銹鋼盒內,用純無水K2CO3掩埋,加蓋后再用焦炭粒掩埋,在930℃煅燒3 h,冷卻至常溫,再反復1次。侵蝕后試樣經水洗、烘干,測其質量變化和常溫抗折強度。表14-127為不同產品的熔堿侵蝕試驗結果。Sialon結合SiC試樣經熔堿侵蝕后,試樣外形保持完整,抗折強度變化不大。而Si3N4結合SiC經熔堿侵蝕后,重量損失高達15%~60%,蝕損嚴重。Sialon 結合SiC材料的抗熔堿侵蝕性能明顯優于Si3N4結合SiC材料,Sialon結合SiC材料更為優良的抗堿侵蝕性能使之更適合用于高爐中堿侵蝕嚴重的部位。

在新制訂的《賽隆結合耐火制品)行業標準中,在Sialon結合SiC磚技術指標要求中設定了抗熔堿指標(參考指標),抗熔堿檢測方法可直觀地區分Sialon和Si3N4結合SiC材料,同時也能依此檢測產品質量。
Sialon結合SiC的抗氧化性能優異。將Sialon、Si3N4試樣置于有馬弗板的電爐內,1150℃時通入水蒸氣,保溫100 h。試驗結束后,Sialon結合SiC試樣質量變化率為+2.54% ,Si3N4結合SiC為+ 3.12% ,Sialon結合SiC材料的抗水蒸氣氧化性能略優于Si3N4結合SiC材料。
Sialon結合SiC 材料具有優良的抗熱震性能。表14-128為試樣強制風冷熱震的試驗結果,試驗方法與表14-120所述一致。 熱震后,試樣抗折強度在35 MPa左右,強度保持率在60%以上,稍低于Si3N4結合SiC材料,Sialon結合SiC制品抗熱震性能稍遜色于SI3N4結合SiC。Sialon結合SiC材料抗高爐渣侵蝕性能優異。表14-129比較了Sialon、 Si3N4結合SiC在高鈦高爐渣侵蝕條件下的試驗結果,試驗方法與表14-121所述一致。Sialon 結合SiC材料渣蝕后質量變化小,殘余強度高,強度降低幅度小,表明Sialon結合SiC材料在此渣蝕條件下具有更優良的抗侵蝕能力。表14-130為試樣回轉抗渣的試驗結果,采用GB/T 8931 -1988方法實驗條件為1500℃ ,10 h,實驗用渣為高爐渣(SiO2 32 .89,Fe2O3 0.32,Al2O3 15.38,Ca2O3  5.74,MgO 8.51, K2O 0.18, Na2O 0.36)。在此渣蝕條件下,兩種磚均表現出優良的抗渣蝕能力,Si3N4結合SiC材料磚抗渣侵蝕性能更優。在不同的渣蝕條件下,Sialon和Si3N4結合SiC均表現出優良的抗渣侵蝕性能,二者因渣蝕條件不同存在差異。研究表明,當高爐渣中存在TiO2時,材料中將形成Ti(C,N),并積聚于工作層,阻止熔渣的進一步侵人,可有效延長SiC材料的使用壽命。對于高爐渣,靜態坩堝抗渣侵蝕實驗表明,純β-Sialon材料的抗渣蝕能力比純Si3N4差,隨著Z值的增大,抗渣蝕能力降低,當β-Sialon的Z值大于3時,其抗渣性能明顯降低,上述的研究結果可較好的解釋表14- 130的試驗結果。

總體而言,與Si3N4結合SiC材料相比,Sialon結合SiC的優點主要在于更為優良的抗堿侵蝕性能力和相對更好的抗鐵、鋁等熔液侵蝕性能。
β-Sialon的Z值對Sialon 結合SiC材料的性能有影響。對于這方面的研究,不同研究者的觀點存在差異。日本有學者認為,Z=2時,常溫強度和高溫強度.大,抗熱震性隨著Z值
增大而增強,抗堿性與抗渣性隨Z值增大而下降,Z值越大,堿處理后的體積膨脹越大。法國Savioe公司生產的Sialon 結合SiC磚(SicanitAL3)的Z=3,實際應用效果良好。我國.早生產和成功應用的Sialon結合SiC磚,Z=2~3。純β-Sialon材料抗熔堿侵蝕試驗表明,Z=0.5~ 4.0的β-Sialon抗熔堿侵蝕性能均很好,明顯優于Si3N4材料,Z=1.5~2.5時.優。在實際選材時,究竟選擇多大Z值.佳,目前研究的還不夠深入,主要依據實際應用的經驗效果來確定。對產品進行能譜分析表明,實測的Z值為平均值,產品不同部位的Z值在平均值附近波動。對于不同的高爐,其爐況不同,Z 值可有少許差異。筆者認為,選擇Z=1.5~3.0均可生產性能優異的產品,可滿足高爐實際使用,Sialon結合SiC制品的Z值宜選擇在2~ 3之間。
 目前,我國Salon結合SiC產品已在國內多座高爐上獲得使用,生產技術和產品水平已屬國際**水平。值得注意的是,我國新建成的寶鋼4 號、太鋼特大型高爐(4350m3)選用了700多噸SiC磚,其中Sialon結合SiC制品占一半以上,今后特大型或大型高爐可能將更多地選用Sialon 結合SiC制品。
 Sialon結合SiC也可用于熔融還原煉鐵爐,已在COREX爐蝕損較嚴重的爐襯部位獲得了實際
應用,有關這方面的研究和深人報道還不多。
 Sialon結合SiC在煉鋅等有色金屬行業已獲得應用。實踐表明,Sialon、Si3N4,結合SiC和氧化物結合SiC均有很好的使用效果,但若衡量產品性價比, Sialon結合SiC 材并不具有競爭力,在此方面的用量可能將逐漸減少,而氧化物結合Si3N4結合SiC材料用量將增加。
 在窯具行業,Sialon結合SiC機械力學性能和抗熱震性并不優越于Si3N4 結合SiC材料,而產品的成本相對較高,作為窯具產品可能沒有很好的發展前景。

 

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