碳化硅火泥泥漿對(duì)原料的要求

碳化硅火泥用于高爐碳化硅鑲磚、干熄焦牛腿磚、鋁電解槽碳化硅磚以及陶瓷窯碳化硅的砌筑或粘接。目前，碳化硅泥漿主要以碳化硅顆粒和細(xì)粉為主要原料，以液體酚醛樹脂為結(jié)合劑，具有養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度高、砌體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和氣密性好、理化性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。部分廠商使用碳化硅廢磚料進(jìn)行氮化硅結(jié)合碳化硅磚用火泥的制作，用戶也希望火泥的化學(xué)組成與磚相近。但是，氮化硅相對(duì)于碳化硅更易氧化，因此，含有氮化硅成分的泥漿的性能是否滿足長(zhǎng)期使用尚待驗(yàn)證。本工作采用碳化硅、氮化硅和氮化硅結(jié)合碳化硅廢磚粉為主要原料對(duì)氮化硅結(jié)合碳化硅磚用泥漿錐入度、粘結(jié)強(qiáng)度和抗氧化性能進(jìn)行對(duì)比研究。

1、試驗(yàn)

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%的碳化硅，粒度≤0.074mm、ω（Si3N4)=93.26%的氮化硅，粒度0.5～0mm和≤0.074mm、ω（SiC)=74.42%、ω（Si3N4)=20.26%的氮化硅結(jié)合碳化硅廢磚粉，結(jié)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。將碳化硅原料試樣標(biāo)記為A，碳化硅復(fù)合氮化硅原料試樣標(biāo)記為B，氮化硅結(jié)合碳化硅廢磚粉原料試樣標(biāo)記為C。

表1：試驗(yàn)配料組成(%)

2）試樣制備及性能檢測(cè)

將配好的物料倒入攪拌機(jī)中干混1min，然后加入液體酚醛樹脂濕混6min，制備成泥漿，以初始錐入度450mm左右為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)確定結(jié)合劑加入量，三組試樣結(jié)合劑加入量分別是26%、31%和33%。然后按照GB/T22459-2008進(jìn)行稠度（錐入度法）和抗折粘接強(qiáng)度（110℃和180℃烘干24h,600℃、800℃和1300℃空氣氣氛和埋炭條件下熱處理3h），并制作50mm×50mm×50mm立方體試塊進(jìn)行抗氧化性能測(cè)試（600℃和800℃空氣氣氛）。

2、結(jié)果與討論

1）原料對(duì)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(duì)三組試樣進(jìn)行錐入度測(cè)試，在不同時(shí)間下的錐入度如圖1所示�？梢钥闯�，將三組泥漿按照450mm左右的錐入度攪拌完成后，隨著時(shí)間的推移，錐入度出現(xiàn)了較大的變化。合成碳化硅原料和碳化硅復(fù)合氮化硅原料的A和B試樣的錐入度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先變大后變小的變化趨勢(shì)。但在5h的時(shí)間內(nèi)，錐入度的數(shù)值保持在435mm以上，材料具有較長(zhǎng)的可施工時(shí)間。分析認(rèn)為酚醛樹脂中具有一定量的水、酒精和揮發(fā)分，初期水分與碳化硅原料的潤(rùn)濕不完全，隨著時(shí)間的推移水分逐漸潤(rùn)濕原料，材料的錐入度增加；另外，水分、酒精和揮發(fā)分的揮發(fā)會(huì)增加泥漿的粘稠度，導(dǎo)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(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)，可能是由于磚在使用過程中滲入了少量堿性物質(zhì)，在混料完成后被水逐漸溶出，導(dǎo)致酚醛樹脂出現(xiàn)固化，進(jìn)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(shí)間的變化曲線圖

2）原料對(duì)泥漿錐入度的影響抗折粘結(jié)強(qiáng)度的影響

將粘結(jié)樣條在不同溫度和氣氛下進(jìn)行熱處理，空氣環(huán)境下熱處理后的抗折粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2：原料在空氣氣氛中熱處理后抗折粘結(jié)強(qiáng)度的變化圖

可以看出，三組試樣在110℃烘干后的抗折粘結(jié)強(qiáng)度差別較大，其中全碳化硅原料的A試樣的粘結(jié)強(qiáng)度超過了25MPa，碳化硅與氮化硅原料的B試樣的強(qiáng)度接近25MPa，而以廢磚粉為主要原料的C試樣的強(qiáng)度不足20MPa。180℃烘干后的強(qiáng)度差別不大，均在22MPa左右。分析認(rèn)為，低溫下泥漿的抗折粘結(jié)強(qiáng)度主要由酚醛樹脂提供，因此三組試樣的抗折強(qiáng)度均比較高。由圖2還可以看出，三組試樣的強(qiáng)度在三種溫度下熱處理后的強(qiáng)度均比較低，且隨著熱處理溫度的升高而升高，其中以純碳化硅為原料的試樣A的強(qiáng)度高，B試樣和C試樣的強(qiáng)度差別不大。分析認(rèn)為，中高溫條件下酚醛樹脂在空氣中逐漸氧化分解，已經(jīng)起不到粘結(jié)劑的作用，體系中的強(qiáng)度主要由原料間的燒結(jié)提供，氮化硅相對(duì)于碳化硅更易氧化，少量氧化產(chǎn)生的二氧化硅保護(hù)膜可以提高試樣常溫抗折強(qiáng)度，但大量的氧化會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)疏松，降低強(qiáng)度。不同溫度和氣氛下熱處理后的抗折粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比如圖3所示。

圖3：不同熱處理?xiàng)l件對(duì)抗折粘結(jié)強(qiáng)度的影響對(duì)比圖

可以看出，三組試樣在三種熱處理溫度下的抗折粘結(jié)強(qiáng)度均以埋炭試樣的略高，尤其是1300℃熱處理時(shí)，其抗折粘結(jié)強(qiáng)度由不足5MPa升高到了10MPa以上，其中A試樣的強(qiáng)度超過了14MPa。在全部的熱處理?xiàng)l件下，均以A試樣的抗折粘結(jié)強(qiáng)度高，可能是由于A試樣泥漿所需結(jié)合劑的量相對(duì)較少，結(jié)合劑中揮發(fā)分揮發(fā)后留下的孔隙較少，泥漿在熱處理過程中試樣燒結(jié)效果優(yōu)于B試樣和C試樣所致。

3）原料對(duì)泥漿抗氧化性能的影響

為了研究不同原料配置氮化硅結(jié)合碳化硅磚用泥漿的耐用性能，對(duì)三組耐火泥漿試樣在800℃條件下進(jìn)行抗氧化性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，氧化后試樣剖面照片如圖4所示。

圖4：800℃時(shí)抗氧化試樣剖面照片

可以看出，三組試樣在800℃氧化后照片均在試樣四周出現(xiàn)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(duì)更好。分析認(rèn)為800℃時(shí)，氮化硅相對(duì)于碳化硅更容易氧化，且試樣中氮化硅/碳化硅氧化后不能在試樣表面形成一層穩(wěn)定的釉層，因此以氮化硅原料引入的B試樣的氧化更為嚴(yán)重，C試樣中氮化硅以結(jié)合相存在于原料中，其抗氧化性能相對(duì)于B試樣略好，仍不如以純碳化硅為原料的A試樣。

3、結(jié)論

(1）碳化硅為原料的試樣所需粘結(jié)劑較少，廢磚粉為原料的試樣所需粘結(jié)劑較多，以合成原料為主原料的兩種泥漿的錐入度隨時(shí)間延長(zhǎng)衰減較小，以廢磚粉為原料的泥漿的錐入度隨時(shí)間延長(zhǎng)大幅衰減，且不穩(wěn)定。

(2）三組試樣在低溫下烘干后的抗折粘結(jié)強(qiáng)度均比較高，180℃烘干后試樣的強(qiáng)度基本相同，約為22MPa。但中高溫?zé)崽幚砗蟮膹?qiáng)度較低，空氣氣氛下600℃和800℃熱處理后試樣的強(qiáng)度不足5MPa。埋炭條件下熱處理后試樣的強(qiáng)度大幅增加。1300℃埋炭熱處理后試樣的強(qiáng)度均超過了10MPa。

(3）以純碳化硅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，加入氮化硅原料試樣的抗氧化性能較差。