非氧化物耐火材料制备工艺通常包括配料、成型、干燥、烧成等步骤。所用原料绝大多数为人工合成原料。坯体一般采用半干法机压成型或等静压成型,少数采用注浆法成型。成型材料通常在高温非氧化性(如真空、氮气、氩气等)气氛中烧成,部分产品在烧结时需采用气压烧结甚至热压烧结,烧结后再经机械加工处理。
SiC质耐火材料是非氧化物耐火材料中用量最多的,它按结合相不同可分为氮化物结合SiC(包括Si3N4结合、SiAlON结合、Si2ON2结合等)、氧化物结合SiC(包括SiO2结合、黏土结合、莫来石结合等)、自结合SiC(包括重结晶、β-SiC结合、无压烧结)、反应烧结SiC,主要用作铝电解槽侧衬、高炉内衬、干熄炉内衬、垃圾焚烧炉内衬、增压锅炉内衬、锌冶炼炉内衬、金属热处理炉内衬和导轨、陶瓷窑具(棚板、推板、横梁、立柱等)、燃烧器烧嘴、热交换器等。SiC质耐火材料的理化性能详见表1。
名称 | Si3N4结合SiC | SiAlON结合SiC | Si2ON2结合SiC | SiO2结合SiC | 黏土结合SiC | 莫来石结合SiC | 重结晶SiC | β-SiC结合SiC | 无压烧结SiC | 反应烧结SiC |
体积密度/ (g·cm-3) | 2.71 | 2.72 | 2.70 | 2.78 | 2.60 | 2.69 | 2.70 | 2.74 | 3.12 | 3.05 |
显气孔率/% | 14 | 14 | 12 | 10 | 16 | 15 | 15 | 13 | 0 | 0 |
常温耐压强度/MPa | 200 | 200 | 220 | 180 | 110 | 150 | 400 | 200 | — | 1250 |
常温抗折强度/MPa | 48 | 50 | 54 | 50 | 35 | 35 | 90 | 50 | 500 | 300 |
1400℃抗折强度/MPa | 55 | 50 | 52 | 35 | 15 | 25 | 120 | 45 | — | 350 (1200℃) |
20~1000℃线膨胀系数/K-1 | 4.5×10-6 | 4.6×10-6 | 4.5×10-6 | 4.8×10-6 | 5.1×10-6 | 5.0×10-6 | 4.8×10-6 | 4.6×10-6 | 4.3×10-6 | 4.5×10-6 |
1000℃热导率 /W·(m·K)-1 | 18 | 16 | 17 | 13 | 12 | 11 | 25 | 23 | 120 (25℃) | 40 |
SiC质量分数/% | 74 | 75 | 75 | 88 | 85 | 78 | 99 | 94 | 98 | 88 |
Si3N4质量分数/% | 21 | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
β-SiAlON质量分数/% | — | 20 | — | — | — | — | — | — | — | — |
Si2ON2质量分数/% | — | — | 20 | — | — | — | — | — | — | — |
Si质量分数/% | 0.3 | 0.4 | 0.5 | — | — | — | — | 0.3 | — | 11 |
SiO2质量分数/% | — | — | — | 8.0 | 6 | 6 | — | 1.0 | — | — |
Al2O3质量分数/% | — | — | — | 0.4 | 6 | 14 | — | — | — | — |
Fe2O3质量分数/% | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.7 | 0.8 | 0.7 | 0.1 | 0.4 | — | 0.2 |
其他非氧化物耐火材料基本上都属结构陶瓷,主要用作热电偶保护管、冶炼坩埚、轴承、陶瓷升液管、金属加工刀具、水平连铸分离环、喷嘴等,部分材料的理化性能详见表2。
名称 | 反应烧结Si3N4 | 无压烧结Si3N4 | β-SiAlONn | 热压烧结BN | 热压B4C | 热压烧结ZrB2 | 无压烧结 MoSi2 |
体积密度 /(g·cm-3) | 2.60 | 3.20 | 3.26 | 1.88 | 2.51 | 5.80 | 5.6~7 |
显气孔率% | 18 | <0.1 | — | 5.6 | < 0.5 | — | < 1 |
抗弯强度 /MPa | 160 | 828 | 945 | 116 | 480 | 460 | 350~400 |
断裂韧性 /(MPa·m1/2) | — | 5 | — | — | 3.6 | — | 3~4 |
弹性模量 /GPa | 180 | 300 | 300 | 568 | 441 | 343 | — |
热导率 /(W·m-1·K-1) | 18.4 (250℃) | — | 22 (25℃) | 17.8 (25℃) | — | — | — |
20~1000℃线膨胀系数/K-1 | 3.0×10-6 | 3.2×10-6 | 3.0×10-6 | 2~7.5 ×10-6 | — | — | 7~8×10-6 |