碳化硅粉添加量對碳素爐用硅磚性能的影響

孫　彪，翟萌萌，趙鵬飛，李永軍，劉愛平

（山東耐火材料集團(tuán)有限公司 王耐分公司，山東 淄博255311）

1　前言

碳素爐是炭素制品生產(chǎn)中的主要熱工設(shè)備。硅磚是砌筑碳素爐的重要原料，性能要求高，尤其罐體和火道墻對硅磚的性能要求更為嚴(yán)格。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及環(huán)保要求的不斷提高，碳素爐窯形成了“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低能耗、少污染”的發(fā)展趨勢［1-2］，對碳素爐窯的保溫性能、熱穩(wěn)定性和使用壽命等提出了更高的要求，從而對用作碳素爐襯體的硅磚的抗壓強(qiáng)度、氣孔率、耐火度等性能提出了更高要求。

針對目前碳素爐用硅磚性能要求越來越高的現(xiàn)狀，本研究以優(yōu)質(zhì)硅石為原料，添加不同含量的碳化硅細(xì)粉，在1 450℃下燒結(jié)制備硅磚試樣，分析碳化硅不同添加量對硅磚制品物理性能的影響，找出碳化硅的最佳添加量。

2　試驗(yàn)方法

2.1　試驗(yàn)原料

不同粒級優(yōu)質(zhì)硅石顆粒：骨料粒度2.5～0.8 mm，中間顆粒粒度＜0.8 mm，細(xì)粉粒度＜0.1 mm；殘磚顆粒粒度＜1.0 mm；碳化硅粉純度97%，粒度≤0.005 mm。

2.2　試樣制備

按表1配比準(zhǔn)確稱料，將混練好的泥料在300 t摩擦壓磚機(jī)上以相同的機(jī)壓方式壓制成221 mm×106 mm×65 mm的磚坯，每種配比壓制5個(gè)試樣，分別標(biāo)記。在160℃隧道窯干燥器干燥24 h后，按照一定的燒成制度在隧道窯中完成試樣的燒結(jié)。

表1　試樣配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.3　性能測試

按照GB/T 2997—2000《致密定形耐火制品體積密度、顯氣孔率和真氣孔率試驗(yàn)方法》測試試樣顯氣孔率及體積密度；按照YB/T 370—1995《耐火材料荷重軟化溫度試驗(yàn)方法非示差升溫法》測定試樣的荷重軟化溫度；按照GB/T 5988—2007《耐火材料加熱永久線變化試驗(yàn)方法》中的體積測量法測試試樣的加熱線變化率；按照GB/T 5072—2008《耐火材料常溫耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測試試樣的常溫耐壓強(qiáng)度；按照GB/T 7320—2008《耐火材料熱膨脹試驗(yàn)方法》測試試樣的熱膨脹率。按照GB/T 5071—2013《耐火材料真密度試驗(yàn)方法》測試試樣的真密度；按照YB/T 172—2000《硅磚定量相分析X射線衍射法》測試試樣的殘余石英含量。采用北大青鳥XBD-3200型X射線衍射儀（XRD）在室溫測定試樣的X-射線衍射譜。

3　結(jié)果與討論

3.1　X射線衍射物相分析

圖1為試樣的X射線衍射圖譜，由衍射圖譜可知：試樣的主要晶相為鱗石英和方石英，另外還有少量的殘余石英。這是由于原料中的二氧化硅未轉(zhuǎn)化而形成的。采用Rietveld法對試樣進(jìn)行半定量分析，結(jié)果表明，鱗石英相的含量隨著SiC含量的升高先升高后減小，殘余石英相則呈相反的趨勢。同時(shí)從圖譜可以看出，當(dāng)SiC添加量超過3%時(shí)，開始出現(xiàn)SiC相，并且隨著含量增高而增多。這與表2中的殘余石英含量變化相吻合。

圖1　試樣衍射圖譜

由圖1可見，當(dāng)SiC添加量為2%時(shí)，鱗石英的衍射峰強(qiáng)度很高，而方石英和殘余石英的峰強(qiáng)較低。這是因?yàn)殡S著SiC含量的增加，在燒結(jié)過程中，試樣中均勻分布的SiC由里及外被氧化生成為SiO2［3-4］，當(dāng)添加量為2%時(shí)，SiC達(dá)到最大限度的氧化轉(zhuǎn)化，所以鱗石英相峰強(qiáng)高；但當(dāng)添加量超過2%時(shí)，原料中的SiC未能在燒結(jié)氣氛中完全氧化生成SiO2，而是殘留在磚坯中，因而出現(xiàn)SiC物相。從圖1還可以看出，隨著SiC含量的升高，鱗石英衍射峰的位置發(fā)生稍微偏移，根據(jù)Bragg［5］衍射公式可以推知說明SiC含量的變化引起晶胞參數(shù)的改變，同時(shí)也證明了鱗石英是以多種形式的固溶體存在。SiC添加量對真密度和殘余石英的影響見表2。

表2　SiC添加量對真密度和殘余石英的影響

3.2　顯氣孔率和體積密度

碳化硅粉添加量對試樣顯氣孔率和體積密度的影響如表3所示。由表3可見：添加碳化硅后，半成品氣孔率和成品氣孔率相差不大，同時(shí)，試樣顯氣孔率隨碳化硅粉含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大，最后趨于平穩(wěn)的趨勢；而體積密度正好呈相反趨勢。當(dāng)碳化硅粉添加量為2%時(shí)，顯氣孔率達(dá)到最小值18.0%，而體積密度達(dá)到最大值1.88 g/cm3。這是因?yàn)闊蛇^程中碳化硅細(xì)粉氧化成二氧化硅，質(zhì)量增加且產(chǎn)生膨脹，填充氣孔，從而降低氣孔率、提高強(qiáng)度，并增加導(dǎo)熱率。當(dāng)碳化硅細(xì)粉添加量為2%時(shí)，泥料顆?；沮呌谧钪旅芏逊e，燒結(jié)完結(jié)，故顯氣孔率達(dá)到最小，體積密度達(dá)到最大。但當(dāng)其含量超過2%時(shí)，碳化硅不能完全轉(zhuǎn)化為二氧化硅，試樣出現(xiàn)黑心，并伴有小孔，因此顯氣孔率反而升高，體積密度減小。

3.3　常溫耐壓強(qiáng)度

燒成試樣的常溫耐壓強(qiáng)度如圖2所示。從圖2中看出，隨著碳化硅粉含量的增加，試樣的常溫耐壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)碳化硅粉含量為2%時(shí)，耐壓強(qiáng)度達(dá)到最大值73.6 MPa。這是因?yàn)殡S著碳化硅粉含量的增加，氣孔率逐漸降低，同時(shí)碳化硅氧化后生成石英，促進(jìn)燒結(jié)的進(jìn)行，故耐壓強(qiáng)度逐漸增高。但當(dāng)其含量超過2%時(shí)，試樣表面的碳化硅發(fā)生氧化后，形成一層阻止氧氣進(jìn)入材料內(nèi)部的膜層，材料內(nèi)部氧分壓降低，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，此時(shí)燒結(jié)過程已經(jīng)不能完全將碳化硅氧化生成二氧化硅，碳化硅分布于試樣中，出現(xiàn)黑心，因此耐壓強(qiáng)度開始減小。

表3　SiC添加量對試樣氣孔率和體積密度的影響

圖2　試樣的常溫耐壓強(qiáng)度

3.4　荷重軟化溫度

燒成試樣的荷重軟化溫度T0.6如圖3所示。由圖3可知：在一定范圍內(nèi)，增加碳化硅粉的添加量，可以提高硅磚材料的荷重軟化溫度，這是由于碳化硅具有比二氧化硅更強(qiáng)的共價(jià)鍵，比二氧化硅擁有更加優(yōu)良的高溫性能。但當(dāng)碳化硅粉加入量超過2%時(shí)，試樣的荷重軟化溫度開始降低，這是由于碳化硅容易被氧化［6］，試樣中其含量越高，其氧化程度越大，同時(shí)由于原料中堿性金屬氧化物和添加劑的存在，在高溫條件下試樣內(nèi)部形成的液相也相對越多，從而降低試樣在高溫條件下的強(qiáng)度，導(dǎo)致材料的荷重軟化溫度降低。

圖3　試樣的荷重軟化溫度

3.5　重?zé)€變化率

燒成的試樣在1 450℃溫度保溫2 h后的重?zé)€變化率見表4。由表4可知，添加碳化硅粉試樣的重?zé)€變化率與不添加碳化硅試樣相比變化不大，說明添加碳化硅后試樣的高溫體積穩(wěn)定性好。

表4　試樣的重?zé)€變化率

4　結(jié)　論

以優(yōu)質(zhì)硅石顆粒和殘磚顆粒為原料，碳化硅粉為輔料，通過高溫固相無壓燒結(jié)，制備了碳素爐用硅磚。當(dāng)碳化硅添加量為2%時(shí)，制備的試樣主要物相為鱗石英、方石英和少量的殘余石英，其體積密度為1.88 g/cm3，顯氣孔率為18.0%，耐壓強(qiáng)度達(dá)到73.6 MPa，荷重軟化溫度0.2 MPa達(dá)到1 701℃，性能優(yōu)良，完全符合目前碳素爐用硅磚要求。