[发明专利]一种赛隆-石墨复合碳化硅材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高炉炉衬耐火材料，具体涉及一种赛隆-石墨复合碳化硅材料及其制备方法，所述赛隆-石墨复合碳化硅材料是用于高炉炉腰、炉身和炉腹等部位的关键耐火材料。

背景技术

随着炼铁技术的发展，大型高炉普遍采用精料、高风温、高压炉顶、富氧大喷煤等新技术以强化冶炼，高炉操作条件日益苛刻，需要性能更为优良的耐火材料以满足长寿的需要。以β-SiAlON-SiC为代表的氮化物结合碳化硅耐火材料因具有高的高温强度、以及良好的抗热震性、抗碱、抗熔渣侵蚀性和高温耐磨性等优良性能，被广泛地用于炉腰、炉身和炉腹等部位，并取得了良好的使用效果，高炉一代寿命延长到十五年以上。

有关高炉炉身内衬的设计，存在着两种思路。一种思路是从耐火材料的角度出发，认为耐火材料的损坏以高温磨损和化学侵蚀为主，提倡使用导热性能差，且具有较高强度和良好抗化学侵蚀能力的高级硅酸铝质和碳化硅耐火材料，如刚玉质、β-SiAlON-SiC等；另一种思路是从热力学的角度出发，结合高炉实际的运行状态，认为内衬的破损主要是由渣皮的反复形成、脱落及煤气流的波动引起的热冲击所造成，通过配置有效的冷却系统，并配以高导热、抗热震性好的内衬材料，如炭质、石墨质等材料，来降低耐火材料的热面温度，抵抗高强度的热冲击，并利用渣皮的保护作用来延长内衬耐火材料的使用寿命，并且国外学者曾对高炉炉壳应力变化进行实测得出：重大的炉衬蚀损实际上在高炉点火后不久就产生了，进一步研究发现迅速加热和冷却所引起的热应力是高炉炉衬早期破损的主要原因。

目前我国大型高炉一代炉役的设计寿命达到15～20年，甚至20年以上。为了实现高炉长寿，现代大型高炉根据冷却系统和炉体不同部位选用不同材质的耐火材料，其中炉身中下部冷却板之间采用石墨砖和β-SiAlON-SiC砖交替砌筑。由于β-SiAlON-SiC砖的热面直接与高炉内的物料和热气流接触，将经受物料和气流的冲刷与磨损、熔铁和熔渣的侵蚀以及炉内温度的热冲击，工作环境十分恶劣，因此要求β-SiAlON-SiC砖具有良好的抗渣铁侵蚀性，以及承受热冲击的能力。石墨线膨胀系数低、弹性模量低、热导率高，且不为熔渣和铁水所润湿，所以具备优良的耐侵蚀性和抗热震性等特性，但石墨材料存在高温易氧化的缺点。β-SiAlON-SiC材料相比于石墨材料具有优异的抗氧化性能而抗热震性和抗侵蚀性相对不足。本工作将两种设计思路进行统一，把石墨添加到β-SiAlON-SiC中，以期得到一种具有良好抗热震性、抗侵蚀和抗氧化性的赛隆-石墨复合碳化硅材料。这种材料不仅使用性能会得到提高，并且在施工过程中，由于会减少材料的种类，将大大减少炉体砌筑工人的工作量，还可以减少由于交替砌筑产生的炉体砌缝，改善炉体的整体性，提高高炉的使用寿命。

何胜平等选用金属微粉、活性添加剂和碳化硅为主要原料，制备了Z＝1，2，3的SiAlON结合碳化硅材料，并就其抗折强度(常温及1400℃)、抗碱、抗渣、抗热震性能进行研究。结果表明，Z＝3的SiAlON结合碳化硅材料具有优越的综合性能。

董鹏莉等在不同温度、不同Z值条件下采用还原氮化法制备了β-SiAlON结合SiC材料。XRD和SEM分析表明，不管是以Si、Al₂O₃还是以Si、Al、Al₂O₃为原料，在氮气气氛下用Si₃N₄埋粉，在常温常压下都可以合成较纯的β-SiAlON。通过改变Z值和控制烧结温度等试验发现，当Z＝0.6，T＝1723K时能合成较纯的β-SiAlON，但随着Z值的增加，会有少量的O-SiAlON杂质相生成。SEM分析表明，在一定温度下，控制适当的工艺条件，随着Z值的增加，β-SiAlON晶粒间开始析出部分晶须，并逐渐转化为明显交织的棒状结构，从而提高材料的断裂韧性。

李玉山，卜景龙等利用压力成型工艺制备了SiC-SiAlON材料，通过试验确定SiC-SiAlON中结合相SiAlON所占比例为35％，SiC(临界颗粒为1mm)的颗粒级配为6∶1∶3，按照Z＝2时SiAlON的分子式Si₄Al₂O₂N₆进行配料。在1550℃氮气气氛下烧结，保温2小时，制备以β-SiAlON为结合相的SiC-SiAlON复相材料

以上国内文献均是赛隆-碳化硅制品，未见将石墨引入的报道。