Si3N4-SiC复相材料合成及其在出铁沟浇注料中的应用研究

论文摘要

铁沟料是用于炼铁高炉出铁沟的耐火材料,其性能好坏、使用寿命长短和通铁量大小,直接影响着生产成本、劳动强度和工作环境,本文针对目前炼铁高炉出铁沟对高性能耐火材料的需求,以棕刚玉、SiC、球状沥青、71水泥、金属硅粉和金属铝粉以及多种添加剂为原料,研究了水泥添加量对低水泥结合Al2O3-SiC-C出铁沟浇注料的常温物理性能的影响;利用来源广泛的天然石英和焦炭作为原料,采用碳热还原氮化法制备Si3N4-SiC复相材料,对合成产物的物相和显微形貌进行分析表征;将制备的Si3N4-SiC复相材料作为添加物加入到Al2O3-SiC-C质出铁沟浇注料中,研究其加入量对浇注料常温理化性能和高温抗熔渣侵蚀性能的影响。以天然石英和焦炭为原料,利用碳热还原氮化的方法制备Si3N4-SiC复相材料,结果表明:经1600℃保温3h烧成后,产物的主要物相为β-Si3N4和β-SiC。在试样表面观察到了数量较多的针状β-SiC晶须。以棕刚玉、SiC、α-Al2O3微粉、SiO2微粉、球状沥青和纯铝酸钙水泥等为原料,制备了不同水泥含量的Al2O3-SiC-C质出铁沟浇注料,研究了纯铝酸钙水泥加入量对浇注料性能的影响。结果表明:纯铝酸钙水泥加入量达到3%时,浇注料可达到较好的抗折强度、耐压强度、体积密度、显气孔率和烧后线变化率等性能要求,也具备了良好的抗氧化性能;发现经过1450℃×3h热处理后试样中的Si粉会与C反应生成新的Moissanite相。研究了Si3N4-SiC复相材料添加量（0、3%、6%、9%、12%）对Al2O3-SiC-C质出铁沟浇注料的常温理化性能、抗氧化性能和抗渣侵蚀性能等的影响。结果表明:添加Si3N4-SiC复相材料的Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料抗氧化性能和抗渣侵蚀性能均有不同程度提高,当Si3N4-SiC复相材料添加量为6%时,试样经1450℃热处理后的常温抗折强度达到最高值11.63MPa,耐压强度达34.50MPa;1450℃热处理后线变化率仅为0.07%,;Si3N4-SiC复相材料添加量为6%的试样具有较优的抗氧化性能,1450℃热处理后氧化层厚度为2.98mm,而未添加Si3N4-SiC复相材料试样的氧化层厚度为3.88mm;Si3N4-SiC能够阻止高炉渣对浇注料的渗透侵蚀。在本实验研究条件下,Si3N4-SiC复相材料的添加量为6%时Al2O3-SiC-C质出铁沟浇注料具有最优的综合性能。本研究工作为研发高性能出铁沟浇注料提供了理论依据和新的技术路线,可以采用加工后的廉价矿物原料替代高能耗的碳化硅和刚玉等原料,降低铁沟料的成本,对节能减排和矿物资源的高效利用具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 高炉出铁沟的基本结构
• 1.2 出铁沟耐火浇注料
• 1.2.1 耐火浇注的定义
• 1.2.2 耐火浇注料物理性能
• 1.3 高炉出铁沟耐高温浇注料使用原料
• 2O₃'>1.3.1 Al₂O₃
• 1.3.2 SiC
• 1.3.3 C
• 1.3.4 耐火水泥
• 1.4 铁沟料的损毁机理研究
• 1.4.1 熔渣侵蚀
• 1.4.2 冲刷磨损
• 1.4.3 材料热震破坏
• 1.4.4 碳素材料的高温氧化
• 2O₃-SiC-C 质出铁沟用浇注料性能的途径'>1.5 提高Al₂O₃-SiC-C 质出铁沟用浇注料性能的途径
• 1.5.1 优化碳化硅（SiC）添加量
• 1.5.2 通过复合添加剂以提高铁沟料的抗氧化性
• 1.5.3 通过引入金属硅、铝微粉提高材料的热震稳定性
• 1.5.4 提高材料的高温抗折强度
• 1.6 新型出铁沟耐火材料研究的必要性
• 1.7 国内外出铁沟耐火材料的发展状况
• 2O₃-SiC-C 系浇注料研究动态'>1.8 Al₂O₃-SiC-C 系浇注料研究动态
• 1.9 石英碳热还原氮化制备氮化硅概述
• 1.9.1 碳热还原氮化法的发展
• 1.9.2 影响石英碳热还原氮化反应的因素
• 1.10 本课题研究的主要内容
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 浇注料的制备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 添加剂的使用
• 2.1.2.1 抗氧化剂
• 2.1.2.2 结合剂
• 2.1.2.3 分散剂
• 2.1.2.4 防爆纤维
• 2.1.3 颗粒级配的确定
• 2.1.4 实验仪器
• 2.1.5 实验过程
• 2.2 性能测试
• 2.2.1 常温抗折强度和耐压强度
• 2.2.2 体积密度、显气孔率
• 2.2.3 烧后线变化率
• 2.2.4 抗氧性能
• 2.2.5 抗渣性能
• 2.3 微观组织结构分析
• 2.3.1 XRD 分析
• 2.3.2 显微形貌分析
• 3N₄-SiC 复相材料的研究'>第3章 用石英合成Si₃N₄-SiC 复相材料的研究
• 3.1 石英碳热还原氮化反应的热力学分析
• 3.2 试样制备
• 3.3 物相分析
• 3.4 显微形貌分析
• 3.5 小结
• 2O₃-SiC-C 出铁沟浇注料性能影响的研究'>第4章 纯铝酸钙水泥对Al₂O₃-SiC-C 出铁沟浇注料性能影响的研究
• 4.1 浇注料的理化性能及分析
• 4.1.1 常温抗折强度和耐压强度
• 4.1.2 显气孔率、体积密度和烧后线变化率
• 4.1.3 抗氧性能
• 4.2 物相分析
• 4.3 显微形貌分析
• 4.4 小结
• 3N₄-SiC 对Al₂O₃-SiC-C 出铁沟浇注料性能影响的研究'>第5章 添加Si₃N₄-SiC 对Al₂O₃-SiC-C 出铁沟浇注料性能影响的研究
• 5.1 浇注料的理化性能及分析
• 5.1.1 常温抗折强度和耐压强度
• 5.1.2 显气孔率、体积密度和烧后线变化率
• 5.1.3 抗氧性能
• 5.2 物相分析
• 5.2.1 熔渣的物相分析
• 5.2.2 试样的物相分析
• 5.3 浇注料的抗渣性能及分析
• 5.3.1 外观形貌分析
• 5.3.2 显微形貌分析
• 5.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录