二氧化硅微粉對(duì)炭素?fù)v打料顯微結(jié)構(gòu)及性能的影響

辛占武,顧華志,朱晶晶,楊 林,王小軍

(1.武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,湖北武漢,430081;2.太鋼不銹鋼股份有限公司,山西太原,030003;3.北京瑞普同創(chuàng)科技發(fā)展有限公司,北京,102400)

高爐長(zhǎng)壽命問題已成為當(dāng)前業(yè)內(nèi)關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)[1],其涉及到高爐爐體冷卻技術(shù)問題。傳統(tǒng)的爐缸結(jié)構(gòu)是采用平板式鑄鐵或鑄銅作為冷卻壁,其內(nèi)襯用炭磚砌筑,或炭磚內(nèi)砌筑一層陶瓷杯磚[2],在冷卻壁與內(nèi)襯之間筑有一層厚度為80 mm左右的炭素?fù)v打料。由于一般炭素?fù)v打料的導(dǎo)熱系數(shù)較低,不利于高爐爐體的快速冷卻,從而影響了高爐壽命。因此高導(dǎo)熱系數(shù)炭素?fù)v打料的研制極具應(yīng)用前景。

本研究通過在炭素?fù)v打料中添加二氧化硅微粉原位反應(yīng)生成碳化硅晶須,利用碳化硅晶須所具有的高熱導(dǎo)率性質(zhì)來提高炭素?fù)v打料的導(dǎo)熱性能,以期有效延長(zhǎng)高爐使用壽命。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

以冶金焦粉、鱗片石墨為原料,改性中溫瀝青粉(<0.2 mm)為結(jié)合劑,外加煤焦油及蒽油,添加二氧化硅微粉,試樣配方如表1所示。按表1中配方稱樣混勻,以60 M Pa的壓力在液壓機(jī)上壓制成型,經(jīng)220℃×24 h烘干處理,再在高溫?zé)崽幚頎t中經(jīng)1 550℃×3 h埋炭處理,即制成所需試樣。

表1 試樣配方 (w B/%)Table 1 Formulations of specimens

1.2 檢測(cè)

分別按GB/T2997-1987和GB/T5072-1985測(cè)定試樣體積密度和常溫耐壓強(qiáng)度;用FLASHL IN-5000E激光導(dǎo)熱儀通過激光閃光法測(cè)定試樣的導(dǎo)熱系數(shù)[3];用PH IL IPS X’pertpro X射線衍射儀分析試樣的相組成;用Nova400NanoSEM型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相及顯微結(jié)構(gòu)分析

1 550 ℃熱處理后的3#試樣XRD圖譜如圖1所示。從圖1中可以看出,經(jīng)1 550℃熱處理后,含4.5%二氧化硅微粉的3#試樣中有SiC相生成。研究表明,碳化硅晶須生成一般遵循氣-固、氣-液-固反應(yīng)機(jī)理[4],分析顯示本研究中碳化硅晶須的生成主要遵循氣-固反應(yīng)機(jī)理。在1 550℃熱處理過程中,試樣中的SiO2反應(yīng)生成SiO(g),與試樣中的C(s)和反應(yīng)產(chǎn)生的CO(g)反應(yīng)生成SiC晶核,隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行,SiC晶核沿一維方向生長(zhǎng),從而形成了碳化硅晶須。

圖1 1 550℃熱處理后的3#試樣XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of Sample 3#treated at 1 550℃

1 550 ℃熱處理后的2#～5#試樣顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出,經(jīng)1 550℃熱處理后,試樣中產(chǎn)生了大量的碳化硅晶須,多分布在孔隙附近,且較為均勻。這主要是由于高溫下SiO2分解速度快,為碳化硅晶須生成提供了足夠的硅源,同時(shí)高溫?zé)崽幚硎乖嚇拥臍饪茁试龃?為碳化硅晶須的生成提供了必要的空間,且此溫度下的碳化硅晶須結(jié)晶能力出現(xiàn)降低,其有利于晶須沿長(zhǎng)度方向生長(zhǎng)。由圖2中還可以看出,3#樣和5#樣中生成的碳化硅晶須明顯呈啞鈴狀,即在直桿狀晶須的表面分布有念珠狀小球。念珠狀小球和直桿狀晶須的形成是兩個(gè)獨(dú)立的過程[5],即先生成的直桿狀碳化硅晶須,其生長(zhǎng)過程中因雜質(zhì)或擾流的出現(xiàn)而形成堆疊、層錯(cuò)等缺陷,與此同時(shí),伴隨碳化硅晶須生成過程產(chǎn)生的SiO等氣態(tài)物質(zhì)在缺陷部位沉積、成核而逐漸長(zhǎng)大,最終形成念珠狀小球。

圖2 1 550℃熱處理后的2#～5#試樣顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 SEM images of Sam ples 2#～5#treated at 1 550℃

2.2 物理性能

圖3 二氧化硅微粉添加量對(duì)試樣常溫耐壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of microsilica amount on cold crushing strength of specimens

二氧化硅微粉添加量對(duì)試樣常溫耐壓強(qiáng)度和體積密度的影響分別如圖3和圖4所示。由圖3中可以看出,隨著二氧化硅微粉添加量的增加,1 550℃熱處理后的試樣常溫耐壓強(qiáng)度逐漸增大。這是由于隨著二氧化硅微粉的加入,試樣的顆粒堆積密度得到改善,另外經(jīng)1 550℃高溫?zé)坪?試樣中生成了大量網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)狀的碳化硅晶須,結(jié)果增大了試樣的強(qiáng)度。從圖4中可看出,在相同的二氧化硅微粉添加量下,1 550℃熱處理后的試樣體積密度低于220℃烘后的試樣體積密度。這是因?yàn)殡S著熱處理溫度升高,試樣中的瀝青、焦油等成分在熱解、炭化過程中釋放出的氣體量增多,結(jié)果使試樣的致密度降低、體積密度減小。

圖4 二氧化硅微粉添加量對(duì)試樣體積密度的影響Fig.4 Effect of microsilica amount on bulk density of specimens

二氧化硅微粉添加量對(duì)試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖5所示。由圖5中可以看出,經(jīng)1 550℃熱處理后的試樣,其導(dǎo)熱系數(shù)隨二氧化硅微粉添加量的增加先增大后減小,但均大于未加二氧化硅微粉的1#試樣導(dǎo)熱系數(shù);二氧化硅微粉添加量為6.5%時(shí),試樣導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值。這是由于焦炭的石墨化程度不高、導(dǎo)熱系數(shù)低,故未添加二氧化硅微粉的1#試樣導(dǎo)熱系數(shù)較低;而添加二氧化硅微粉的試樣經(jīng)1 550℃熱處理后,原位反應(yīng)生成了一定量的高導(dǎo)熱系數(shù)的碳化硅晶須,隨著二氧化硅微粉添加量的增大,生成的碳化硅晶須逐漸增多,故試樣導(dǎo)熱系數(shù)增大;當(dāng)二氧化硅微粉添加量為8.5%時(shí),由于受氣氛或反應(yīng)環(huán)境等的影響,生成的碳化硅晶須逐漸減少,試樣的導(dǎo)熱系數(shù)開始降低。

圖5 二氧化硅微粉添加量對(duì)試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of microsilica amount on thermal conductivity of specimens

3 結(jié)論

(1)在炭素?fù)v打料中加入二氧化硅微粉,經(jīng)1 550℃熱處理可原位反應(yīng)生成碳化硅晶須,晶須呈啞鈴狀。

(2)隨著初期二氧化硅微粉添加量增加,試樣常溫耐壓強(qiáng)度、體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)提高;二氧化硅微粉添加量為8.5%時(shí),試樣碳化硅晶須生成量減少,導(dǎo)熱系數(shù)降低。

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