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硅莫砖生产工艺原理

时间:2018-03-14 14:33 作者:艾米点击:

  水泥窑用硅莫砖在生产过程中的工艺原理如下所述:

  众所周知,碳化硅耐火度高,在还原气氛中到2600℃—直是稳定的;硬度大(莫氏硬度9?9.5),仅次于金刚石;热导率高[500℃时为64.4W·(m·K)-1,875℃时为41.4W·(m·K)-1;热膨胀系数比较小(5.0×10-6℃-1)。SiC为共价键结合,不存在通常所说的烧结性,而靠化学反应生成新相达到烧结,即反应烧结,因此碳化硅制品按结合相不同分为黏土结合、莫来石结合、二氧化硅结合、Si2N2O 结合、Si3N4结合、Sialon结合等制品。其中莫来石及莫来石金刚玉结合制品强度高,见表Si2N2O结合、Si3N4结合、Sialon结合碳化硅制品及重结晶碳化硅制品虽然强度等指标很高,可是生产技术复杂,设备要求高,不但制品成本高,而且制品的热导率高,并非是水泥窑的理想耐火材料

  20世纪80年代末,国际上开始研究二元系乃至三元系中氧化物与非氧化物的复相耐火材料。作为人们熟知的非氧化物,SiC引人注目,于是刚玉砖、硅莫砖等先后研制成功。这些复相耐火材料的特点是常温和高温强度比单一氧化物材料高,抗氧化性比单一SiC好,而这些复相材料的氧化属于保护性氧化,材料表层的SiC氧化为SiO2,在材料表面逐渐形成保护层,阻碍了氧气向制品内部进一步渗透。这些复相制品烧成温度较单一氧化物制品低,而制品强度却高。

  表1不同材质结合碳化硅制品理化指标

  不同材质结合碳化硅制品理化指标

  我国研究比较多的是纯刚玉碳化硅制品。刚玉硬度大(莫氏硬度为9.0~9.2),耐磨性好,但结合强度不如莫来石碳化硅制品及莫来石刚玉碳化硅制品。纯刚玉碳化硅制品,靠SiC氧化产生的SiO2与基质中的Al2O3反应形成莫来石结合。根据研究,刚玉碳化硅制品中SiC含量为10%?20%时,制品的各项质量指标较好。SiC含量过高,不利于成型,砖坯性能下降,而且生产成本提高。靠SiC氧化形成的莫来石提高制品的结合强度也不合适,因为生产过程要尽量保护SiC不被氧化,发挥SiC在制品中的作用,提高制品的耐磨性、抗热震性等,因此纯刚玉碳化硅制品的结合相有限,烧成温度较高,制品的成本与使用寿命不成正比。我国天然高铝矾土得天独厚,特种和一级高铝矾土熟料是由刚玉莫来石及少量玻璃相组成,用高铝矾土熟料与碳化硅为主要原料生产的高铝碳化硅制品曾经在冶金、电力系统应用。硅莫砖也是用高铝矾土熟料与碳化硅配料制成的产品,与冶金系统的高铝碳化硅砖没有多大差别。硅莫砖是由特种或一级高铝熟料构成骨架, 基质由SiC、Al2O3、SiO2质材料构成。二次莫来石化效应是SiC氧化产生的SiO2与Al2O3反应,烧成过程如下:

  SiC+O2=SiO+CO(1)

  2SiO+O2=2SiO2(2)

  2CO+O2=2CO2(3)

  反应得到的SiO2,—部分沉积在颗粒表面形成保护膜,防止SiC进一步氧化,另一部分填充和封闭气孔,使结构致密。如果SiC大量氧化,使砖的氧化层加厚,内部结构疏松。为了防止SiC氧化,一般加入金属Si粉和Al粉等抗氧化剂。Si粉氧化生成SiO2,即Si+O2=SiO2,2SiO2+3Al2O3= 3A12O3·2SiO2(莫来石)。随着Si加入量增加,氧化层厚度减薄。可是加入量超过2%时,制品气孔率上升,耐压强度下降。这是由于二次莫来石化效应过大,伴随体积膨胀过大,使结构疏松。加入金属Al粉,在制品烧成过程中,Al在1000℃时氧化为Al2O3,SiC在1250℃氧化为SiO2 ,在1400℃时,Al2O3与SiO2开始形成莫来石。单独加入Si粉或者Al粉,制品表面的氧化层比较厚,二者同时加入,制品表面的氧化层比较薄,一般小于1mm。因为Al、Si的共熔点低(577℃),在较低的温度下产生液相,有利于物质扩散,降低反应生成温度及增加生成量可提高制品强度。

  矾土熟料中的TiO2、Fe2O3与过量的SiO2共熔产生液相,填充并封闭气孔,防止空气进入导致SiC 氧化,使制品氧化层变薄(0.3mm)。

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