煤熔渣对SiC-MgAl_2O_4复合材料的侵蚀机制

为探索水煤浆气化炉炉衬材料的无铬化,以SiC颗料、MgAl_2O_4细粉、α-Al_2O_3微粉和MgO细粉为原料,在埋碳气氛下于1 650℃保温5 h烧成制备了SiC-MgAl_2O_4坩埚试样,并采用静态坩埚法在埋碳气氛下进行了1 500℃保温1 h的煤熔渣侵蚀试验,以研究高温煤熔渣对试样的侵蚀行为。结果表明:1) SiC-MgAl_2O_4材料经高温煤熔渣侵蚀后,煤熔渣沿着MgAl_2O_4基质渗入材料内部,产生明显裂纹; 2)煤熔渣中的Fe元素在试验条件下与材料中的SiC发生氧化还原反应,在试样表面形成金属Fe,SiC被氧化形成的SiO_2向渣中溶解,提高了熔渣黏度,从而抑制熔渣的进一步渗透; 3)煤熔渣对SiC-MgAl_2O_4材料的侵蚀机制主要包括向MgAl_2O_4基质的渗透和对SiC颗粒的氧化两个方面。     

SiC结合刚玉材料的抗高炉渣侵蚀性

采用电熔刚玉、Si粉和SiC粉为原料,用酚醛树脂做结合剂,混练成型后于1 450℃埋炭烧成,采用静态坩埚抗渣试验研究了烧后试样对碱度为1.1的高炉渣在1 500℃的抗渣侵蚀性。结果表明:Si与C、CO在高温下原位反应生成纤维状SiC,形成原位SiC结合刚玉材料,该材料具有良好的抗侵蚀性能,渣蚀厚度都在2.6mm以下,其中,加入8%(w)Si粉和5%(w)SiC粉的试样抗渣侵蚀性最好。通过对抗侵蚀后试样的侵蚀层、渗透层和未变层的相组成和显微结构的分析认为:(1)这种复合材料抗渣侵蚀性能良好的主要原因是熔渣难润湿的SiC自身抗渣侵蚀性较好,且原位生成的纤维状SiC穿插在刚玉骨架结构的空隙中,阻挡了熔渣的侵蚀和渗透;(2)熔渣侵蚀材料的过程是SiC先被氧化,然后其氧化产物SiO2与熔渣中的CaO和SiO2以及材料基质中的A l2O3反应生成钙长石低熔相。     

燃烧合成制备Si_3N_4–TiN–SiC陶瓷的显微结构

以TiSi_2为反应原料,SiC作稀释剂,燃烧合成制备Si_3N_4–TiN–SiC陶瓷。利用燃烧波“淬熄”法使反应各个阶段的物相得以保留,通过X射线衍射及扫描电镜分析TiSi_2在燃烧合成中的反应过程及显微组织转化。结果表明完全反应后产物的主相为Si_3N_4,其余为TiN和SiC。在燃烧过程中,TiSi_2首先受热熔化,包覆于SiC颗粒表面,随后与N2反应生成TiN和Si。Si在高热作用下发生熔化、汽化,液态Si与未反应的TiSi_2互溶。生成的Si与氮气发生反应,形成Si_3N_4晶核,并不断长大。燃烧合成反应过程中,Si_3N_4晶须的生长十分复杂,由气–液–固机制、气–固机制及蒸发凝聚的气相生长机制共同作用。     

SiC/SiAlON对原位SiC结合刚玉材料抗侵蚀性的影响

采用矾土基高铝刚玉为骨料,以电熔刚玉细粉、Si粉、SiC粉或SiAlON粉为基质料,用酚醛树脂为结合剂,试样于1450℃埋炭烧成后,制备了烧结良好的原位SiC结合刚玉复合材料;采用静态坩埚法研究了加入SiC或SiAlON对这种复合材料抗渣性的影响.结果表明:原位SiC结合刚玉材料具有良好的抗侵蚀性能,加入适量SiC或SiAlON后复合材料的抗侵蚀性进一步提高;原位SiC结合刚玉基材料抗侵蚀行为和机理为:熔渣侵蚀材料的过程是SiC和SiAlON等非氧化物先被氧化,然后其氧化产物SiO2和Al2O3与熔渣中的CaO和Al2O3以及材料基质中的Al2O3反应生成钙长石,材料被侵蚀;原位生成的SiC难被熔渣润湿,且填充在气孔中,堵塞了熔渣渗透的主要通道;加入SiC和SiAlON,材料中非氧化物的量明显增多,因此抗侵蚀性明显提高.     

MgO-Al2O3-C材料服役状态下MgO致密层的形成机理

一种SiC含量为6.0％的MgO-Al2O3-C(MAC)材料被用于精炼钢包包壁部位,表现出优异的抗侵蚀性能,对用后MAC材料的物相组成和显微结构进行分析.结果显示,在MAC材料侵蚀界面形成MgO致密层,提高了MAC材料的抗侵蚀性能.MAC材料内的SiC,一方面与MgO反应形成更多的Mg(g);另一方面,SiC氧化后形成的部分SiO2进入侵蚀层熔渣使熔渣碱度下降,粘度大幅上升,不但提高了MgO在熔渣中的形成速率,而且同时降低了MgO的溶解速率,促进MgO再结晶和MgO致密层的形成.     

不同煤熔渣对水煤浆加压气化炉用高铬砖的侵蚀

为研究不同煤熔渣对高铬砖的侵蚀机制,选取4种物理化学性能差异较大的典型气化炉用后煤熔渣,采用化学分析、XRD、SEM及EDS等研究了不同煤熔渣的性能及其对w(Cr2O3)≥90%的高铬砖的侵蚀、渗透情况。结果表明:气化炉中煤熔渣主要由SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO组成,但不同煤熔渣的化学组成差异较大,矿物组成及熔融特性温度也不同;在相同条件下,高铬砖侵蚀的主要影响因素是温度和熔渣的化学组成,随温度升高,煤熔渣对高铬砖的侵蚀急速加剧;煤渣中的熔融指数较低时,煤熔渣对高铬砖的侵蚀渗透较为严重;煤熔渣中低熔点相向材料内部渗透、渣中SiO2等对材料中ZrO2等的反应溶解是造成高铬砖失效的直接原因;高铬砖表面形成镁铝铬铁复合尖晶石致密层可以有效降低高铬砖的侵蚀程度。     

干熄炉用碳化硅耐火材料抗CO侵蚀性研究

研究了SiAlON(主要为Si_4Al_2O_2N_6)结合SiC、复相氮化物(Si_2N_2O/Si_3N_4)结合Si C和β-SiC结合Si C材料在1 000℃、CO气氛(C+CO_2=2CO)中分别侵蚀100、200、300和400 h后其质量、显气孔率、常温耐压强度以及物相组成和显微结构的变化。结果表明:1)复相氮化物结合Si C材料抗CO侵蚀性最好,CO侵蚀后其常温耐压强度大幅度增大,达到363 MPa; SiAlON结合SiC的次之,为200 MPa;β-SiC结合SiC的最差,为136MPa。2)复相氮化物结合SiC材料被CO侵蚀后,其致密度增大较多; SiAlON结合SiC材料被CO侵蚀后,SiAlON发生Al2O_3脱溶,有新生针状产物;β-SiC结合SiC材料被CO侵蚀后,生成了少量方石英或石英。     

刚玉-氮化硅-碳化硅复合材料的性能研究

以棕刚玉、氮化硅和碳化硅为原料在氧化气氛下制成试样.将试样分别在1500 ℃、1550 ℃和1600 ℃保温5 h进行埋炭处理.利用XRD、SEM和EDS等检测方法,结合热力学分析,研究了氧化气氛烧成后试样的物相变化以及高温埋炭条件下Si_3N_4的稳定性.结果表明:氧化气氛烧成后生成一种莫来石固溶体Si_6Al_(10)O_(21)N_4;高温埋炭处理后Si_3N_4和Si_6Al_(10)O_(21)N_4会部分转化为SiC,Si_3N_4向SiC明显转化的温度大于1500 ℃,Si_6Al_(10)O_(21)N_4向SiC明显转化的温度大于1550 ℃.     

使用粘土为母体材料的β′-赛隆结合SiC耐火材料

SiC质陶瓷与耐火材料由于其良好的热机械性能被广泛应用于许多工业技术领域。象Si_3N_4、赛隆、氮氧化合物等,对SiC晶粒的无氧化的结合已证实可提高SiC块的使用性能。可以用几种方法形成Si-Al-O-N结合系统,其中之一是通过天然铝硅酸盐在N_2气中的反应形成的。在这种情况下,SiC充当还原剂。在这项工作中,研究了β′-赛隆在SiC中形成的结合,同时使用粘土作母体材料。在这项研究中SiC-粘土混合,并压制成试条和球体。试样在1673～1923K范围在N_2气流内烧成。用XRD和显微镜观察到所形成的相为β-赛隆和Si_3N_4的含氮产品。SiC充当还原剂。其机械性能与结构性能和氮化反应中形成的物相有关。     

高温氮气气氛下硅–氮化硅–氧氮化硅体系的稳定性

硅粉生坯经过初次氮化制得硅–氮化硅–氧氮化硅体系的试样,分别于1 500和1 600℃氮气气氛下进行重烧实验,研究了高温稳定性。结果表明:在Si_2N_2O(s)与Si(l)两相接触的界面处,两者反应生成Si_3N_4(s)和介稳态SiO(g)。1 500℃重烧时体系氧分压[p(O_2)]处于Si_2N_2O相稳定存在的区间,故1 500℃重烧试样中Si_2N_2O相含量高;1 600℃重烧时体系p(O_2)小于Si_3N_4相能够稳定存在的临界值,Si(l)直接氮化生成Si_3N_4(s),故1 600℃重烧试样中β-Si_3N_4相是主要物相。体系中的SiO(g)与CO(g)反应生成纤维状SiC,由于SiO分压[p(SiO)]与温度T负相关,因此1 500℃重烧试样中SiC相的含量高于1 600℃重烧试样的。试样随炉冷却过程中,部分介稳态SiO(g)会与N2(g)反应生成α-Si_3N_4(s)。     

氮化硅结合氮化硅铁在氮气气氛下的高温稳定性

以硅粉和氮化硅铁颗粒为原料,经高纯氮气气氛下烧结,制备出氮化硅/氮化硅铁复合材料。将氮化硅/氮化硅铁复合材料试样分别在1 500、1 600、1 700℃氮气气氛下重烧,探究其高温稳定性。结果表明:当重烧温度为1 500℃时试样中存在的物相有β-Si_3N_4、α-Si_3N_4、Si_2N_2O、SiC以及Fe3Si;当重烧温度达到1 600℃时,β-Si_3N_4含量增加,Fe_3Si、Fe_5Si_3、FeSi_3种硅铁合金共存,α-Si_3N_4、Si_2N_2O消失;当重烧温度上升到1 700℃时,β-Si_3N_4含量显著下降并重新出现α-Si_3N_4,Fe_5Si_3和FeSi相共存,Fe_3Si相消失。结合热力学计算推断反应机理为:当重烧温度从1 500℃上升到1 600℃时,α-Si_3N_4、Fe–Si熔体中的Si以及Si_2N_2O均向β-Si_3N_4转变,导致β-Si_3N_4含量增加。当重烧温度上升到1 700℃过程中,熔融硅铁的存在加速了Si_3N_4的分解,导致β-Si_3N_4含量减少;试样冷却过程中,Si(l)、Si(g)将重新氮化形成氮化硅,使α-Si_3N_4重新出现。SiC在较高的温度下比Si_3N_4稳定,其反应的C源为结合剂中的残C,以及气氛中的CO。随温度升高,复合材料中Fe–Si合金的稳定顺序依次为:Fe3Si→Fe_5Si_3→FeSi。     

含钒气化熔渣对致密刚玉材料的侵蚀作用机理

高硫石油焦用于气化,可实现石油焦的高效清洁利用。煤与石油焦气流床共气化是石油焦气化应用的主要技术路线。石油与煤相比V元素含量较高,V元素易造成耐火材料的侵蚀,目前耐火材料正向无铬方向发展,含V熔渣对新型耐火材料的侵蚀研究还较少。选用一种典型气化用煤的煤灰,配入V₂O₅模拟石油焦与煤共气化灰,对具有广泛应用前景的刚玉耐火材料进行侵蚀试验,考察气化操作温度、V元素含量和侵蚀时间等因素对侵蚀程度的影响,利用XRD分析含V熔渣高温侵蚀过程中的矿物质变化,利用SEM表征含V熔渣和刚玉材料侵蚀过程中形貌表面变化,阐明含V熔渣侵蚀刚玉材料机理。研究表明：熔渣V元素在刚玉界面处形成钒铝尖晶石,熔渣中V元素与Al元素相互取代,形成相互反应层侵蚀材料表面,破坏了刚玉材料的表面致密性,导致熔渣中低黏度液相渗透加剧。随反应温度增加,V元素与刚玉中Al₂O₃反应加剧,熔渣与刚玉材料界面处形成的尖晶石颗粒变大,反应层致密性降低,加剧低黏度液相熔渣向刚玉材料渗透,导致刚玉材料侵蚀程度增加。V含量增加时,熔渣与刚玉材料的反应层厚度...     

免烧SiC材料的抗冰晶石侵蚀性研究

为解决电解铝行业Si_3N_4结合SiC耐火材料成本高,工艺控制复杂等问题,以工业SiC为主要原料,添加少量Si粉和Al粉,酚醛树脂为结合剂,经120℃烘干制备免烧SiC试样,采用CO_2气氛控制动态侵蚀法结合XRD和SEM研究其1 000℃时的抗冰晶石侵蚀性。结果表明:试样中的酚醛树脂转变为石墨,Si和Al转化为纤维状、粒状、柱状的SiC、Al_2O_3、Al N、Si_3N_4、3Al_2O_3·2SiO_2,以及Al、Si的氮氧化物等较为复杂的陶瓷结合体系,为免烧SiC材料提供了优异的抗冰晶石侵蚀性能。     

高炉用Si3N4结合的SiC质耐火材料的氧化

通过称重方法和表面显微结构的观察,较系统地研究了高炉用Si_3N_4结合的SiC质耐火材料在空气、水蒸汽和不同CO/CO_2比的混合气相中的氧化过程,探讨了该材料的氧化动力学。本文针对高炉冷却设备漏水情况而设计的水蒸汽氧化及其模拟高炉冶炼环境而设计的不同CO/CO_2比混合气相中的氧化实验结果,为研究高炉用Si_3N_4结合的SiC质耐火材料的蚀损过程提供了一定的理论依据。     

真实服役环境与实验室模拟条件下高铬砖损毁形式的对比

通过对工业气化炉用后砖、回转抗渣实验后试样以及静态坩埚抗渣实验后试样宏观结构、显微结构及能谱分析,对比高铬砖在水煤浆气化炉真实服役环境和实验室模拟抗渣条件下损毁形式的不同。结果表明,高铬砖在真实气化环境中的损毁主要受:化学侵蚀、熔渣渗透以及热剥落三方面共同作用。实验室模拟条件下的两种抗渣实验结果在化学侵蚀和熔渣渗透方面与真实环境下的损毁机理较为一致,在热剥落方面与真实环境下的结果差异大。实验室抗渣模拟试验对评价气化炉用材料的抗渣侵蚀和抗渣渗透具有可借鉴性。     

NiO催化氮化制备Si_3N_4/SiC复合材料及其高温性能

以原位生成的NiO纳米颗粒为催化剂,采用催化氮化的方法制备Si_3N_4/SiC复合材料,研究了所制备复合材料的常温物理性能、高温力学性能、抗热震性、抗氧化及抗冰晶石侵蚀性能。结果表明:1)所制备Si_3N_4/SiC复合材料的常温耐压强度及抗折强度值分别为131.0及24.6 MPa;2)Si_3N_4/SiC复合材料的高温抗折强度随着温度的升高而增加,1 573 K时达到最大值后又缓慢下降,但即使1 673 K时复合材料的高温抗折强度仍高于其常温抗折强度;3)Si_3N_4/SiC复合材料具有较好的抗热震性能,当实验温度为1 573 K,采用水冷时,其强度保持率仍有50%左右;4)所制备Si_3N_4/SiC复合材料开始氧化温度约为1 173 K,其抗氧化性能优于无催化剂时制备的Si_3N_4/SiC复合材料;5)所制备的复合材料具有良好的抗冰晶石侵蚀性能。由于Ni O纳米颗粒催化生成大量的Si_3N_4晶须,这些晶须交互分布在骨料之间,形成网络状结构,从而提高了复合材料的性能。     

反应结合SiC电热材料的高温氧化特征

研究了反应结合SiC电热材料在1100～1580℃空气介质中加热时的氧化特征。结果表明：加热温度高于1420℃后，材料基体中的残留Si熔化并流动到表面形成SiO2。氧化后形成的SiO2与表面氧化层融为一体，提高了表面氧化层的致密度，有利于材料的抗氧化性能。1500℃左右为材料的抗氧化性能转折温度。在1500℃以下氧化时，反应结合SiC的抗氧化行为与重结晶SiC接近；高于1500℃氧化时，材料表面发生破坏性氧化，引起电热材料的失效。1500℃氧化后的表面氧化层中同时存在低温石英、方石英和非晶态SiO2。     

MgO-SiC-C材料的抗渣性能研究

以电熔镁砂、碳化硅、鳞片石墨(w(C)>97%)、铝粉(≤0.088mm,w(Al)>98%)和硅粉(≤0.088mm,w(Si)>98%)为主要原料,按w(电熔镁砂)=81%,w(SiC)=10%,w(鳞片石墨)=4%,w(铝粉 硅粉)=5%的组成配料,以酚醛树脂为结合剂,压制成125mm×25mm×25mm的MgO-SiC-C试样,在220℃干燥24h后采用感应炉法进行了抗转炉终渣试验,并对抗渣试验后试样进行了XRD、SEM和EDAX分析。结果发现熔渣对MgO-SiC-C试样的侵蚀和渗透并不显著,试样的侵蚀速率为0.25~0.3mm·h-1;抗渣试验后试样原质层主要组成为MgO、SiC和MgO·Al2O3;在与熔渣接触后,SiC被氧化成SiO2,由此导致在试样和熔渣间形成一高粘度的液相反应层,有效地减轻了试样受熔渣渗透和侵蚀的程度,提高了试样的抗渣能力。     

Si3N4陶瓷表面氧化层组成的EPMA分析

利用EPMA和XRD的分析方法,研究了Si_3N_4陶瓷材料表面氧化层的组成。结果表明,Si_3N_4陶瓷材料表面的氧化层,是由方石英相和含有Al_2O_3、CaO等杂质的SiO_2玻璃相所组成。其中SiO_2玻璃相中Al_2O_3、CaO等杂质的含量,随着氧化时间的增加而逐渐增加。     

催化氮化反应Si_3N_4增强SiC基复相耐高温材料的研究

为解决Si_3N_4结合SiC复相材料氮化不完全产生"黑心"/"夹心"以及强度有待提高的问题,本文在探讨Fe、Co、Ni等催化剂对Si粉催化氮化过程的基础上,研究了催化剂Co的加入对原位催化Si粉氮化反应形成Si_3N_4结合SiC复相耐高温材料的物理性能与显微结构特征的影响。结果表明:催化剂Fe、Co、Ni能够有效促进Si粉的氮化以及Si_3N_4纤维的形成,同时能够降低氮化反应的温度。1400℃氮化烧结后,当Co加入量为0.5wt.%时催化氮化制备的Si_3N_4结合SiC复相材料的强度达到最大60.2 MPa,比未添加Co的提高了88.7%,可能是由于形成了大量的纤维网络结构强化了SiC基质。