碳化矽火泥泥漿對原料的性能要求

發布時間：2022/12/1 20:21:52

碳化矽火泥用於高爐碳化矽鑲磚、幹熄焦牛腿磚、鋁電解槽碳化矽磚以及陶瓷窯碳化矽的砌築或粘接。目前，碳化矽泥漿主要以碳化矽顆粒和細粉為主要原料，以液體酚醛樹脂為結合劑，具有養護強度高、砌體結構穩定性和氣密性好、理化性能穩定的優點。部分廠商使用碳化矽廢磚料進行氮化矽結合碳化矽磚用火泥的製作，用戶也希望火泥的化學組成與磚相近。但是，氮化矽相對於碳化矽更易氧化，因此，含有氮化矽成分的泥漿的性能是否滿足長期使用尚待驗證。本工作采用碳化矽、氮化矽和氮化矽結合碳化矽廢磚粉為主要原料對氮化矽結合碳化矽磚用泥漿錐入度、粘結強度和抗氧化性能進行對比研究。

1、試驗

1）原料與配比

所用原料主要為：粒度0.5～0mm和≤0.074mm、ω（SiC)=98.31%的碳化矽，粒度≤0.074mm、ω（Si3N4)=93.26%的氮化矽，粒度0.5～0mm和≤0.074mm、ω（SiC)=74.42%、ω（Si3N4)=20.26%的氮化矽結合碳化矽廢磚粉，結合劑選為液體酚醛樹脂，外加少量添加劑。試樣配料組成如表1所示。將碳化矽原料試樣標記為A，碳化矽複合氮化矽原料試樣標記為B，氮化矽結合碳化矽廢磚粉原料試樣標記為C。

表1：試驗配料組成(%)

2）試樣製備及性能檢測

將配好的物料倒入攪拌機中幹混1min，然後加入液體酚醛樹脂濕混6min，製備成泥漿，以初始錐入度450mm左右為評定標準確定結合劑加入量，三組試樣結合劑加入量分別是26%、31%和33%。然後按照GB/T22459-2008進行稠度（錐入度法）和抗折粘接強度（110℃和180℃烘幹24h,600℃、800℃和1300℃空氣氣氛和埋炭條件下熱處理3h），並製作50mm×50mm×50mm立方體試塊進行抗氧化性能測試（600℃和800℃空氣氣氛）。

2、結果與討論

1）原料對泥漿錐入度的影響

在溫度為（25±5）℃，濕度為20%～25%的條件下，按照GB/T22459.1-2008對三組試樣進行錐入度測試，在不同時間下的錐入度如圖1所示。可以看出，將三組泥漿按照450mm左右的錐入度攪拌完成後，隨著時間的推移，錐入度出現了較大的變化。合成碳化矽原料和碳化矽複合氮化矽原料的A和B試樣的錐入度隨著時間的延長呈現出先變大後變小的變化趨勢。但在5h的時間內，錐入度的數值保持在435mm以上，材料具有較長的可施工時間。分析認為酚醛樹脂中具有一定量的水、酒精和揮發分，初期水分與碳化矽原料的潤濕不完全，隨著時間的推移水分逐漸潤濕原料，材料的錐入度增加；另外，水分、酒精和揮發分的揮發會增加泥漿的粘稠度，導致錐入度減小。以廢磚粉為主要原料的C試樣的錐入度基本呈現出逐漸減小的變化趨勢，可能是由於磚在使用過程中滲入了少量堿性物質，在混料完成後被水逐漸溶出，導致酚醛樹脂出現固化，進而降低了泥漿的錐入度。

圖1：不同原料火泥試樣錐入度隨時間的變化曲線圖

2）原料對泥漿錐入度的影響抗折粘結強度的影響

將粘結樣條在不同溫度和氣氛下進行熱處理，空氣環境下熱處理後的抗折粘結強度測試結果如圖2所示。

圖2：原料在空氣氣氛中熱處理後抗折粘結強度的變化圖

可以看出，三組試樣在110℃烘幹後的抗折粘結強度差別較大，其中全碳化矽原料的A試樣的粘結強度超過了25MPa，碳化矽與氮化矽原料的B試樣的強度接近25MPa，而以廢磚粉為主要原料的C試樣的強度不足20MPa。180℃烘幹後的強度差別不大，均在22MPa左右。分析認為，低溫下泥漿的抗折粘結強度主要由酚醛樹脂提供，因此三組試樣的抗折強度均比較高。由圖2還可以看出，三組試樣的強度在三種溫度下熱處理後的強度均比較低，且隨著熱處理溫度的升高而升高，其中以純碳化矽為原料的試樣A的強度高，B試樣和C試樣的強度差別不大。分析認為，中高溫條件下酚醛樹脂在空氣中逐漸氧化分解，已經起不到粘結劑的作用，體係中的強度主要由原料間的燒結提供，氮化矽相對於碳化矽更易氧化，少量氧化產生的二氧化矽保護膜可以提高試樣常溫抗折強度，但大量的氧化會導致其結構疏鬆，降低強度。不同溫度和氣氛下熱處理後的抗折粘結強度對比如圖3所示。

圖3：不同熱處理條件對抗折粘結強度的影響對比圖

可以看出，三組試樣在三種熱處理溫度下的抗折粘結強度均以埋炭試樣的略高，尤其是1300℃熱處理時，其抗折粘結強度由不足5MPa升高到了10MPa以上，其中A試樣的強度超過了14MPa。在全部的熱處理條件下，均以A試樣的抗折粘結強度高，可能是由於A試樣泥漿所需結合劑的量相對較少，結合劑中揮發分揮發後留下的孔隙較少，泥漿在熱處理過程中試樣燒結效果優於B試樣和C試樣所致。

3）原料對泥漿抗氧化性能的影響

為了研究不同原料配置氮化矽結合碳化矽磚用泥漿的耐用性能，對三組耐火泥漿試樣在800℃條件下進行抗氧化性能對比實驗，氧化後試樣剖麵照片如圖4所示。

圖4：800℃時抗氧化試樣剖麵照片

可以看出，三組試樣在800℃氧化後照片均在試樣四周出現一層氧化層，氧化層厚度以B試樣的厚，A試樣和C試樣的氧化層厚度差別不大，A試樣的抗氧化性能相對更好。分析認為800℃時，氮化矽相對於碳化矽更容易氧化，且試樣中氮化矽/碳化矽氧化後不能在試樣表麵形成一層穩定的釉層，因此以氮化矽原料引入的B試樣的氧化更為嚴重，C試樣中氮化矽以結合相存在於原料中，其抗氧化性能相對於B試樣略好，仍不如以純碳化矽為原料的A試樣。

3、結論

(1）碳化矽為原料的試樣所需粘結劑較少，廢磚粉為原料的試樣所需粘結劑較多，以合成原料為主原料的兩種泥漿的錐入度隨時間延長衰減較小，以廢磚粉為原料的泥漿的錐入度隨時間延長大幅衰減，且不穩定。

(2）三組試樣在低溫下烘幹後的抗折粘結強度均比較高，180℃烘幹後試樣的強度基本相同，約為22MPa。但中高溫熱處理後的強度較低，空氣氣氛下600℃和800℃熱處理後試樣的強度不足5MPa。埋炭條件下熱處理後試樣的強度大幅增加。1300℃埋炭熱處理後試樣的強度均超過了10MPa。

(3）以純碳化矽為原料的試樣的抗氧化性能好，以廢磚粉為原料試樣的抗氧化性能居中，加入氮化矽原料試樣的抗氧化性能較差。