[发明专利]一种含磷氮化物结合碳化硅材料及其制备方法

说明书

本发明属于耐火材料制备技术领域，主要涉及一种含磷的高抗氧化性氮化物结合碳化硅材料及其制备方法。提出的一种含磷氮化物结合碳化硅材料的原料组成及质量百分比为：金属硅粉3~25%、碳化硅颗粒60~70%、碳化硅细粉8~30%、硅微粉0~6%、磷添加剂0.1~3%；所述的含磷氮化物结合碳化硅材料，以碳化硅为主晶相，通过金属硅与氮气的氮化反应生成氮化硅，以及金属硅、硅微粉与氮气的氮化反应生成氧氮化硅，从而形成以氮化硅或氧氮化硅与氮化硅为结合相的含磷氮化物结合碳化硅材料。本发明含磷氮化物结合碳化硅材料能够抵御氧化造成的大幅增重以及体积膨胀，防止由此引起的材料破坏，延长了使用寿命。

技术领域

本发明属于耐火材料制备技术领域，主要涉及一种含磷氮化物结合碳化硅材料及其制备方法。

背景技术

碳化硅因其具有高强度、硬度和优异的抗氧化、腐蚀和耐磨等性能而被广泛应用于磨料及耐材领域。氮化物（氮化硅、氮氧化硅或氮化硅及氮氧化硅复相）结合碳化硅耐火材料具有热导率大、线膨胀系数小、常温和高温强度高、抗热震性好、耐化学腐蚀和高温耐磨性优良等优异性能，在钢铁、有色冶金、化学、电力、陶瓷和垃圾焚烧炉等领域均有广泛应用。

高温下的持续氧化是氮化物结合碳化硅材料损毁的主要原因之一。在空气气氛中，碳化硅材料加热到一定的温度就会发生钝化氧化，其开始氧化的温度与材料的粒度有关，粒度大于0.1mm的碳化硅颗粒，其开始氧化温度在800℃左右，粒度小于0.1mm的碳化硅微粉其开始氧化温度要偏低一些，具体与粒度的大小和比例有关。900~1300℃碳化硅氧化速度虽缓慢，但表面一般很难形成SiO₂保护膜，在1300℃以上，碳化硅氧化后表面一般能形成SiO₂保护膜。当有水蒸气存在时，碳化硅的氧化会明显加速，从而加剧了碳化硅材料的损毁。在氮化物结合碳化硅材料中，氮化物为生产过程中氮化生成的结合相，大多呈晶须状、柱状或片状，相比于主晶相碳化硅而言，其比表面积更大、反应活性更高，所以在相同的气氛条件下，氮化物的开始氧化温度会更低，氧化速度也会更快，结合相的蜕变会降低材料的结合强度，而氧化产物SiO₂在每次间歇停炉的升降温过程中会发生晶型转变，并伴随较大的体积效应，从而产生较大的应力导致材料内部产生微裂纹，导致材料强度衰减甚至开裂损毁，影响了碳化硅材料在在某些工业设备上的使用寿命，例如在运行过程中为水蒸气、空气、焦炉煤气混合气氛的实验焦炉侧墙内衬。

近十多年来，炼焦工业受钢铁生产与消费的增长而快速发展，随着焦炭产能的扩展，进一步加剧了炼焦煤资源的供需矛盾，我国虽是煤炭能源大国，炼焦煤资源总量较丰富，但品种分布明显存在不平衡，其特点是优质炼焦煤资源短缺，结焦性较差的炼焦煤相对丰富。炼焦配煤既可以优化炼焦煤资源配置，又能保证焦炭的质量，因此配煤技术得到广泛的应用。实验焦炉是模拟工业焦炉工作环境的小焦炉，是炼焦配煤常用的实验设备，设计合理的实验焦炉与实际工业生产的焦炉有很好的关联性，其实验结果能较好的指导实际生产，所以，实验焦炉是几乎所有的焦化厂和相关研究机构的标配。

当前，大多实验焦炉炭化室炉墙是采用整体Sialon-SiC砖砌筑，因该碳化硅材料抗急冷急热性能好，导热系数高，节省能源，且能实现对煤料的真正两侧加热。炭化室炉体是必须要保证严密不漏的，所以砌筑的碳化硅砖基本采用“子母扣”的形式，但这种形式的缺点是砖与砖之间基本没有可调节的膨胀空间，在使用过程中一旦砖体内部产生膨胀，炉墙极有可能就会发生开裂。在实际的生产试验过程中，就经常出现焦化室炉墙膨胀开裂的现象，致使Sialon-SiC砖整体砌筑的焦炉炭化室炉墙寿命不理想。其主要原因是焦化室内氧化性气氛对Sialon-SiC材料的氧化。