自結(jié)合碳化硅磚是以β-SiC為結(jié)合相的碳化硅質(zhì)耐火制品。該材料在國外大型高爐上廣泛應(yīng)用。抗堿性、抗渣性、抗熱震性、抗氧化性和抗貼水溶蝕性是高爐用耐火材料的關(guān)鍵使用性能，是選用高爐內(nèi)襯的重要依據(jù)。在本工作中，對這種新型自結(jié)合碳化硅磚的部分使用性能進(jìn)行了較全面的分析，期望更多的耐火材料研究者和高爐設(shè)計者關(guān)注并充分使用這種高性能的自結(jié)合碳化硅耐火材料。
1 試樣的常規(guī)性能
新型自結(jié)合碳化硅磚試樣從磚型為530mm×225/206mm×215mm質(zhì)量為69kg的梯形磚上切取，試樣記為SC；采用本公司生產(chǎn)的磚型為345mm×150mm×75mm的Si3N4結(jié)合碳化硅高爐磚作為對比試樣，試樣記為SN。表1比較了試樣SC和SN的常規(guī)理化性能，由表1可知，試樣SC致密度最高，常溫，高溫力學(xué)性能良好，略低于試樣SN的，但明顯優(yōu)于試樣SC-JP和SC-1995的；試樣SC中SiC含量明顯優(yōu)于試樣SC-JP和SC-1995的。
表1 不同SiC試樣理化性能指標(biāo)比較
圖1比較了試樣SC和SN的線膨脹率，可以看出試樣SC的線膨脹率略高于試樣SN的。圖2比較了試樣SC和SN兩種材料的熱導(dǎo)率，可看出在600~1000℃范圍試樣SC的熱導(dǎo)率較試樣SN高約10%~25%，這對高爐中部內(nèi)襯是有利的。
圖1 試樣線膨脹率隨溫度的變化
圖2 試樣熱導(dǎo)率隨溫度的變化
2 使用性能
2.1 抗堿性
采用與GB/T14983-2008相近的試樣方法。將尺寸為25mm×25mm×70mm的試樣放入不銹鋼盒內(nèi)，用無水K2CO3掩埋，在N2氣氛、930℃煅燒6h，N2氣氛下冷卻至常溫，在流動的水槽中將試樣充分沖洗，在150℃干燥5h，測試樣侵蝕前后的質(zhì)量和尺寸的變化，試驗結(jié)果見表2。圖3是熔堿侵蝕后試樣的外觀照片。可以看出;試樣SC侵蝕后棱角無缺損，表面平滑，表明K2CO3滲入材料內(nèi)部不多;而試樣SN侵蝕后棱角缺損嚴(yán)重，表面疏松，表明基質(zhì)侵蝕嚴(yán)重。所以，試樣SC表面取樣作XRD分析的結(jié)果看出，熔堿試驗后，其物相組成與原樣基本一樣(見圖4)，表明次試驗條件下滲入的K2CO3少，K2CO3未與SiC發(fā)生明顯反應(yīng)。而試樣SN中的Si3N4與K2CO3發(fā)生了明顯反應(yīng)。而試樣SN中的Si3N4與K2CO3發(fā)生了明顯反應(yīng)，生成低熔點的偏硅酸鉀和二硅酸鉀，使材料基質(zhì)遭受嚴(yán)重破壞。
表2 熔堿侵蝕試驗結(jié)果
圖3 熔堿侵蝕后試樣外觀
圖4 試樣SC經(jīng)熔堿試驗后的XRD的圖譜
2.2 抗渣性
試驗方法為靜態(tài)浸泡法。采用碳管爐加熱，Ar氣氛，將高爐渣粉壓塊后放入鉬質(zhì)坩堝內(nèi)，用鉬質(zhì)的夾具尺寸為120mm×20mm×10mm的T型試樣置于坩堝上方，待1550℃高爐渣完全融化后，將試樣浸入渣液中，浸入深度65mm，1550℃浸泡6h后將試樣提出熔渣液面，在Ar氣氛下自然冷卻。高爐渣組成(w)：CaO 40.76%、SiO 34.04%、MgO 7.77%、Fe2O3 0.38%，m(CaO)：m(SiO2)=1.2。
圖5為抗渣試驗后試樣外觀照片。可以看出，肉眼觀察試樣SC和SN未見侵蝕，試樣SC表面附著很薄的一層渣，試樣SN表面的掛渣略多。圖6為試樣靠近渣面的SEM照片。可以看出，試樣SC表面輕微滲透，內(nèi)部與表面基質(zhì)均勻：試樣SN表面約為1mm的熔渣滲透層。
圖5 渣侵蝕后試樣外觀
圖7為渣侵蝕后Ca元素由外到內(nèi)的變化情況。從圖7看出，自結(jié)合碳化硅材料表面與內(nèi)部鈣元素含量保持較低水平，而氮化硅結(jié)合碳化硅材料從表面到2mm處Ca含量從較高水平逐漸下降，之后就不再變化，其Ca含量一直高于自結(jié)合碳化硅材料。所以，此試驗條件下兩種材料在高爐渣浸泡后都有少量渣元素擴(kuò)散，氮化硅結(jié)合碳化硅試樣表皮基質(zhì)由明顯的滲透層，而自結(jié)合碳化硅試樣未出現(xiàn)滲透，可見所研制新型自結(jié)合碳化硅磚具有更好的抗高爐渣侵蝕的能力。
圖6 侵蝕后試樣的顯微結(jié)構(gòu)照片
圖7 侵蝕后試樣表面到內(nèi)部基質(zhì)中Ca元素含量變化
2.3 抗熱震性
將25mm×25mm×150mm的試樣在常溫下快速置入1350℃電爐內(nèi)，保溫20min后迅速取出風(fēng)冷，強制風(fēng)冷至常溫，循環(huán)5次，測試試樣熱震前后的常溫抗折強度，比較不同試樣的抗折強度保持率，結(jié)果見表3。從結(jié)果看，風(fēng)冷熱震后，試樣SC的抗折強度保持率為正，而試樣SN為負(fù)，表明試樣SC的抗熱震性能更優(yōu)。
表3 抗熱震試驗結(jié)果(1350℃風(fēng)冷)
3 結(jié)語
(1)新型自結(jié)合碳化硅磚具有與氮化硅結(jié)合碳化硅磚相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能、熱膨脹性以及更大的熱導(dǎo)率。
(2)新型的自結(jié)合碳化硅磚比氮化硅結(jié)合碳化硅磚具有更加優(yōu)良的抗堿性、抗渣性和抗熱震性。
(3)新型自結(jié)合碳化硅磚用于高爐內(nèi)襯可望具有良好的應(yīng)用前景。