新型氮化硅結(jié)合碳化硅磚工藝研究

張興穩(wěn) 杜歡歡

（1.焦作市榮晟建設(shè)工程有限公司，河南 焦作 454000；2.焦作市現(xiàn)代市政工程有限公司，河南 焦作 454000）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,冶金企業(yè)日益向大型化、自動化、無污染、低消耗、高壽命等方向發(fā)展。氮化硅結(jié)合碳化硅是一種特種高級耐火材料，是耐火材料的第四代產(chǎn)品，具有較為優(yōu)異的結(jié)構(gòu)。由該材料制成的新型氮化硅結(jié)合碳化硅磚具有高溫強度高,導(dǎo)熱性能好,抗氧化、抗熱震性能好且耐腐蝕,抗高溫蠕變性好等特點。目前,氮化硅結(jié)合碳化硅高溫磚主要應(yīng)用于現(xiàn)代化大型鋁廠的電解槽側(cè)部、技術(shù)含量高的超大型煉鐵高爐的腰部、高檔窯具等，如圖1、圖2所示。

圖1 低氣孔高強度氮化硅結(jié)合碳化硅磚（電解鋁槽用）

圖2 低氣孔高強度氮化硅結(jié)合碳化硅磚（冶金高爐用）

1.生產(chǎn)工藝流程制定

將粗、中、細(xì)顆粒的SiC及Si粉合理搭配,輔以一定的添加劑和結(jié)合劑,在鐘型混料機(jī)中充分混合,然后采用澆注成型,烘干后裝入大型氮化爐,在純凈的氮氣氣氛中燒成,使坯體里的Si生成Si3N4,得到以Si3N4為結(jié)合相的SiC復(fù)合材料。這種氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料的應(yīng)用,能有效地降低能耗,減少制品缺陷,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低單位產(chǎn)品的窯具成本,是一種較為理想的新型窯具材料。氮化硅結(jié)合碳化硅磚的工藝路線如圖3所示,具體工藝過程如下。

圖3 工藝路線圖

1.1 混練

混練前應(yīng)檢查混練機(jī)是否運轉(zhuǎn)正常，并把雜質(zhì)清理干凈，對長久不使用的混練機(jī)應(yīng)首先用廢料清碾。

1.1.1 加料順序

（1）老料：2.5～0.43、1.43～0.5、0.5～0 加入、混碾5分鐘。

（2）老料加入量≤10%。

（3）添加糊精液混碾5分鐘。

（4）加入SiC細(xì)粉糊精后混碾5分鐘。

（5）加水進(jìn)行調(diào)整。

（6）凈混碾時間不得少于15分鐘。

1.1.2 篩分

混練好的泥料在使用前須過5mm篩網(wǎng)，篩上料集中收集經(jīng)粉碎后可做老料用，將篩上料中混有的雜物剔除。

1.2 成型

成型采用630T摩擦壓磚機(jī)，成型前必須檢查好設(shè)備運轉(zhuǎn)情況、模型尺寸及錘頭平整等情況，錘頭不得有電焊渣，磅秤調(diào)整準(zhǔn)確、定好單重；模板質(zhì)量的檢查驗收工作由生產(chǎn)科模板庫按規(guī)定執(zhí)行，模型使用前要檢查尺寸、稍度，磚坯體積密度≥2.6g/cm3；稱料時要防止顆粒偏析，泥料在稱量和倒料時不得撒料；加壓時采用先輕后重慢抬錘的操作方法，保證邊角整齊，防止層裂等廢品的產(chǎn)生。

適當(dāng)提高半成品標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，壓制好的磚坯的外型應(yīng)按照各類制品的半成品標(biāo)準(zhǔn)，逐塊進(jìn)行檢查，合格的磚坯方可進(jìn)入下道工序，磚坯要輕放在棉布條上，磚坯之間留3-5cm的縫隙。

1.3 干燥

磚坯在干燥房內(nèi)進(jìn)行自然干燥，在此過程中根據(jù)磚型及氣候情況，應(yīng)該翻動而將下側(cè)暴露在上。干燥坯體之間間隔3-5cm，干燥后的磚坯殘余水分不大于0.1%，自然干燥的溫度在20-30℃之間，干燥時間應(yīng)以磚坯有一定強度、成形為原則。自然干燥后的磚坯送入隧道干燥器進(jìn)行干燥，進(jìn)洞溫度小于60℃。

1.4 燒成

（1）燒成曲線如表1所示。

表1 燒成曲線數(shù)據(jù)

（2）熱工調(diào)整操作要求

①300℃蓋爐蓋，500℃吹水汽，600℃抽真空充氮氣，半小時后進(jìn)行第二次抽真空充氮氣，然后氮氣排糊精至750℃，頂壓力，壓力為0.03Mpa,開始交換排氣閥，30分鐘交換一次，保證爐內(nèi)氣流運動的均勻性。

②保證爐壓在+0.01～+0.045Mpa之間。

③停爐時電流降為零，停止加熱，進(jìn)行氮氣吹冷，降溫至 1000℃關(guān)流量，排氣閥全關(guān)，吊爐蓋，架鼓風(fēng)機(jī)，吹至600℃可開爐門。

1.5 出窯揀選

揀選操作要認(rèn)真細(xì)致逐塊檢查，并加蓋公章，成品、廢品應(yīng)堆放在指定地點，對廢品應(yīng)按磚種磚型做好缺陷責(zé)任分析，并做到準(zhǔn)確記錄。

2.原料的配制

澆注成型Si3N4-SiC制品的主要原材料為工業(yè)用綠碳化硅、硅粉。采用粗、中、細(xì)多級比例配料，并將基礎(chǔ)原料高純綠碳化硅經(jīng)金屬硅氣流磨磨至1200目以上。

SiC顆粒形狀的選擇是保證其制品高密度與高強度的基本條件之一,通常市售的SiC顆粒形狀多為針狀、片狀，成型過程中易產(chǎn)生拱橋效應(yīng),成型密度不高,所以要對SiC進(jìn)行顆粒整形。整形采用碾磨方式進(jìn)行,使顆粒接近等積形,然后進(jìn)行化學(xué)處理、水洗,除去雜質(zhì)。

將工業(yè)硅塊經(jīng)過顎式破碎、對輥破碎，再由磨磨至所需要的粒度。然后用水浸泡數(shù)日，使硅粉中的金屬硅化物與水充分反應(yīng)，排除氣泡，然后烘干。

混合壓制成粉料：將粗、中、細(xì)SiC砂和Si粉原料搬放在平臺上；根據(jù)配方，稱量SiC砂和Si粉；倒入高效混料機(jī)內(nèi),開啟高效混料機(jī)；通過定量水表加入水；均勻加入事先稱量好并加水稀釋的添加劑和臨時結(jié)合劑，充分混合攪拌15～20min,過篩后,放入料倉進(jìn)行悶料儲存24h以上。

3.添加劑的選擇

氮化過程中坯體基本不收縮,因此制品的密度取決于坯體的密度,坯料的顆粒組成對坯體的密度有著很大的影響。制品的密度又直接影響著制品燒成及成品的理化性能。

由于SiC是一種瘠性材料,成漿后易于沉淀,澆注時出現(xiàn)吸漿速度快,生坯強度低,因此應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)奶砑觿?使料漿具有良好的懸浮性、流動性、適當(dāng)?shù)挠|變性和含水量,對于澆注成型是十分重要的。在反應(yīng)原料中添加金屬硅和含碳原料，用納米級硅溶膠作為低溫粘結(jié)劑。當(dāng)引入量為0.5%～2.0%時,料漿具有良好的懸浮性,觸變性不明顯，吸漿速度較慢，澆注料密度高，產(chǎn)品質(zhì)量較高。

4.綜述

制備新型氮化硅結(jié)合碳化硅磚主要采用以下措施。

（1）采用粗、中、細(xì)多級比例配料，將基礎(chǔ)原料高純綠碳化硅經(jīng)金屬硅氣流磨磨至1200目以上。

（2）在反應(yīng)原料中添加金屬硅和含碳原料，通過反應(yīng)原位合成高活性納米級碳化硅，降低了燒結(jié)溫度，提高了強度。

（3）坯料采用澆注成型工藝，用納米級硅溶膠作為低溫粘結(jié)劑，以實現(xiàn)無水泥結(jié)合，制品低熔物少，保證了高溫強度。

上述工藝措施的實施可生產(chǎn)出可替代進(jìn)口產(chǎn)品的新型耐火材料——新型高強度氮化硅結(jié)合碳化硅磚,該磚具有顯氣孔率低、強度高，并具有抗侵蝕能力強、高溫強度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、使用溫度高和耐磨性強等優(yōu)異性能，比普通耐火磚使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于冶金、有色、化工、陶瓷等行業(yè)，有較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。