氮化硅结合碳化硅砖原材料的选择、配比及生产工艺
发布日期： 2020-09-08 08:26:12 阅读量（1162） 作者：张兴稳 杜欢欢摘要：氮化硅结合碳化硅砖作为一种特种高级耐火材料产品，其原材料配制、添加剂选择及生产工艺流程制定是生产出强度高，导热性能好，抗氧化、抗热震性能好的产品的重要保障。文章对其生产工艺进行了研究探讨，在生产实践中具有一定的参考作用。
随着科学技术的进步，冶金企业日益向大型化、自动化、无污染、低消耗、高寿命等方向发展。氮化硅结合碳化硅是一种特种高级耐火材料，是耐火材料的第四代产品，具有较为优异的结构。由该材料制成的新型氮化硅结合碳化硅砖具有高温强度高，导热性能好，抗氧化、抗热震性能好且耐腐蚀，抗高温蠕变性好等特点。目前，氮化硅结合碳化硅高温砖主要应用于现代化型铝厂的电解槽侧部、技术含量高的超大型炼铁高炉的腰部、高具等，如图1、2。
图1低气孔高强度氮化硅结合碳化硅砖(电解铝槽用)
图2低气孔高强度氮化硅结合碳化硅砖(冶金高炉用)
1.生产工艺流程制定
将粗、中、细颗粒的SiC及Si粉合理搭配，辅以一定的添加剂和结合剂，在钟型混料机中充分混合，然后采用浇注成型，烘干后装入大型氮化炉，在纯净的氮气气氛中烧成，使坯体里的Si生成Si3N4，得到以Si3N4为结合相的SiC复合材料。这种氮化硅结合碳化硅耐火材料的用用，能有效地降低能耗，减少制品缺陷，提高产品质量，降低单位产品的窑具成本，是一种较为理想的新型窑具材料。氮化硅结合碳化硅砖的工艺路线如图3所示，具体工艺过程如下。
图3工艺路线
1.1混练
混练前应检查混练机是否运转正常，并把杂质清理干净，对长久不使用的混练机应首先用废料清碾。
1.1.1加料顺序
(1)老料：2.5~0.43、1.43~0.5、0.5~0加入、混碾5分钟。
(2)老料加入量≤10%。
(3)添加糊精液混碾5分钟。
(4)加入SiC细粉糊精后混碾5分钟。
(5)加水进行调整。
(6)净混碾时间不得少于15分钟。
1.1.2筛分
混练好的泥料在使用前须过5mm筛网，筛上料集中收集经粉碎后可做老料用，将筛上料中混有的杂物剔除。
1.2成型
成型采用630T摩擦压砖机，成型前必须检查好设备运转情况、模型整情况，锤头不得有，磅秤调整准确、定好单重;模板质量的检查验收工作由生产科模板库按行，模型使用前要检查尺寸、稍度，砖坯体积密度≥2.6g/cm3;称料时要防止颗粒偏析，泥料在称量和倒料时不得撒料;加压时采用先重慢抬锤的操作方法，保证边角蒸汽，防止层裂等废品的产生。
适当提高半成品标准依据，压制好的砖坯的外型应按照各类制品的半成品标准，逐块进行检查，合格的砖坯方可进入下道工序，砖坯要轻放在棉布条上，砖坯之间留3~5cm的缝隙。
1.3干燥
砖坯在干燥房内进行自然干燥，在此过程中根据砖型及气候情况，应该翻动而将下侧暴露在上。干燥坯体之间间隔3~5cm，干燥后的砖坯残余水分不大于0.1%，自然干燥的温度在20-30℃之间，干燥时间应以砖坯有一定强度、成形为原则。自然干燥后的砖坯送人隧道干燥器进行干燥，进洞温度小于60℃。
1.4烧成
(1)烧成曲线如表1所示。
表1 烧成曲线数据
(2)热工调整操作要求
①300T盖炉盖，500℃吹水汽，600℃抽真空充氮气，半小时后进行第二次抽真空充氮气，然后氮气排糊精至750℃，顶压力，压力为0.03Mpa，开始交换排气阀，30分钟交换一次，保证炉内气流运动的均匀性。
②保证炉压在+0.01~+0.045Mpa之间。
③停炉时电流降为零，停止加热，进行氮气吹冷，降温至1000℃关流量，排气阀全关，吊炉盖，架鼓风机，吹至600℃可开炉门。
1.5出窑拣选
拣选操作要认真细致逐块检查，并加盖公章，成品、废品应堆放在指定地点，对废品应按砖种砖型做好缺陷责任分析，并做到准确记录。
2.原料的配制
浇注成型Si3N4-SiC制品的主要原材料为工业用绿碳化硅、硅粉。采用粗、中、细多级比例配料，并将基础原料髙纯绿碳化硅经金属硅气流磨磨至1200目以上。
SiC颗粒形状的选择是保证其制品髙密度与高强度的基本条件之一，通常市售的SiC颗粒形状多为针状、片状，成型过程中易产生拱桥效应，成型密度不高，所以要对SiC进行颗粒整形。整形采用碾磨方式进行，使颗粒接近等积形，然后进行化学处理、水洗，除去杂质。
将工业硅块经过顎式破碎、对辊破碎，再由磨磨至所需要的粒度。然后用水浸泡数日，使硅粉中的金属硅化物与水充分反应，排除气泡，然后烘干。
混合压制成粉料：将粗、中、细SiC砂和Si粉原料搬放在平台上;根据配方，称量SiC砂和Si粉;倒入高效混料机内，开启高效混料机;通过定量水表加入水;均匀加入事先称量好并加水稀释的添加剂和临时结合剂，充分混合搅拌15~20min,过筛后，放入料仓进行闷料储存24h以上。
3.添加剂的选择
氮化过程中坯体基本不收缩，因此制品的密度取决于坯体的密度，坯料的颗粒组成对坯体的密度有着很大的影响。制品的密度又直接影响着制品烧成及成品的理化性能。
由于SiC是一种瘠性材料，成浆后易于沉淀，浇注时出现吸浆速度快，生坯强度低，因此应选择适当的添加剂，使料浆具有良好的悬浮性、流动性、适当的触变性和含水量，对于浇注成型是十分重要的。在反应原料中添加金属硅和含碳原料，用纳米级硅溶胶作为低温粘结剂。当引入量为0.5%~2.0%时，料浆具有良好的悬浮性，触变性不明显，吸浆速度较慢，浇注料密度高，产品质量较高。
4.综述
制备新型氮化硅结合碳化硅砖主要采用以下措施。
(1)采用粗、中、细多级比例配料，将基础原料高纯绿碳化硅经金属硅气流磨磨至1200目以上。
(2)在反应原料中添加金属硅和含碳原料，通过反应原位合成高活性纳米级碳化硅，降低了烧结温度，提髙了强度。
(3)坯料采用浇注成型工艺，用纳米级硅溶胶作为低温粘结剂，以实现无水泥结合，制品低熔物少，保证了高温强度。
上述工艺措施的实施可生产出可替代进口产品的新型耐火材料——新型高强度氮化硅结合碳化硅砖，该砖具有显气孔率低、强度高，并具有抗侵蚀能力强、髙温强度大、化学稳定性好、使用温度高和耐磨性强等优异性能，比普通耐火砖使用寿命长，可广泛应用于冶金、有色、化工、陶瓷等行业，有较好的社会和经济效益。
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