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碳化硅砖

/silicon carbide brick/
条目作者黄朝晖

黄朝晖

最后更新 2022-01-20
浏览 124
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以工业碳化硅(SiC)为主要原料经过高温烧制得到的耐火材料制品。

英文名称
silicon carbide brick
所属学科
材料科学与工程

碳化硅砖具有强度高、热导率高,以及耐磨性、抗热震性、耐化学侵蚀性好等性能特点。其性能优劣主要取决于砖中SiC颗粒间的结合程度、结合相的种类和含量。根据结合相的种类,碳化硅砖分为氧化物结合碳化硅砖、氮化物结合碳化硅砖和自结合碳化硅砖。

以铝硅(Al2O3-SiO2)系硅酸盐为结合相,包括黏土结合、莫来石结合和SiO2结合的碳化硅砖。这类碳化硅砖出现于20世纪40~50年代,SiC含量一般为50%~90%,结合相的原料以黏土为主,通常添加硅线石、红柱石或蓝晶石等,经过配料、成型、干燥,最后经过1350~1500℃烧制而成。黏土类含量增加,材料的抗氧化性能有所提高,但导热性、荷重变形温度、抗热震性和高温强度等会下降。由于黏土和硅酸铝质原料中不同程度地存在碱性氧化物(R2O)、碱土氧化物(RO)、三氧化二铁(Fe2O3)等杂质,它们在高温烧成过程中将形成较多玻璃相,使得碳化硅砖的高温性能变差。中国从20世纪60年代开发这类制品,主要用于各种工业窑炉的隔焰板、陶瓷窑具(棚板、支柱、匣钵等)。由于黏土类结合相高温性能较差,导致SiC优异的性能不能充分发挥,造成SiC资源的浪费,黏土添加量大的碳化硅砖生产量逐渐减少。

结合相为以氮化硅(Si3N4)、赛隆(Sialon)、氮氧化硅(Si2ON2)等为主的碳化硅砖。具有强度高、抗蠕变性强、导热好、耐磨性和抗侵蚀性能优异的特点。Si3N4结合的SiC材料是美国Carborundum公司1955年在氧化物结合SiC的基础上开发出来的,后来开发完善了Si2ON2结合的SiC材料、Sialon/Si3N4结合和Sialon结合SiC耐火材料。其制备工艺是在SiC颗粒和细粉的基础上,通过加入工业硅粉,或者氧化铝微粉和铝粉等,经过配料→成型→干燥→氮化烧成→质检等工序完成制备过程。氮化烧成需在氮化炉中完成,烧成温度1400~1560℃。高温下金属硅粉与氮气反应生成Si3N4;硅粉和氧化铝微粉及铝粉与氮气反应生成Sialon或者Sialon/Si3N4,形成的结合相把SiC颗粒结合起来而制成氮化物结合碳化硅砖。Si3N4结合SiC材料广泛用于高炉中部(炉身下部、炉腰和炉腹)内衬、铝电解槽侧墙砖、各种工业窑炉的窑具、铝精炼炉炉衬、锌蒸馏罐衬、高温耐磨砖。Si2ON2结合的SiC材料曾用于高炉内衬,也用于窑具,但用量很少。Sialon/Si3N4结合和Sialon结合SiC砖主要用于高炉炉腰或者炉腹的内衬,抗碱侵蚀和抗氧化能力强。

可分为β-SiC结合碳化硅砖、重结晶碳化硅砖。β-SiC结合碳化硅砖以碳化硅颗粒和细粉及硅粉和石油焦粉为原料,通过配料、成型、干燥后,在1400~1600℃中性或者还原气氛(通常采用埋炭工艺)下高温反应:Si+C→β-SiC,生成的结合相使得制品获得强度和性能。20世纪80年代初期,这类碳化硅砖主要用于高炉内衬,后被Sialon/Si3N4结合和Sialon结合SiC砖所取代。重结晶碳化硅是一种靠SiC晶粒再结晶作用而形成的晶粒与晶粒直接结合的α-SiC单相材料,其制备工艺是将SiC细颗粒和细粉经过配料后,用压制或者浇注等多种成型方式制成坯体,干燥后在2100℃以上的高温下烧成。重结晶碳化硅具有高温强度高、导热性能好、蓄热小、使用寿命长等优异性能,但制造成本高,技术难度较大,产品价格一般为Sialon/Si3N4结合SiC耐火材料的10~20倍。主要用于窑具的辊棒、横梁、棚板、高温烧嘴、热电偶套管、高温耐磨部件等,用量相对较少。

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