二氧化硅微粉對炭素搗打料顯微結構及性能的影響

辛占武,顧華志,朱晶晶,楊 林,王小軍

(1.武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地,湖北武漢,430081;2.太鋼不銹鋼股份有限公司,山西太原,030003;3.北京瑞普同創科技發展有限公司,北京,102400)

高爐長壽命問題已成為當前業內關注的一個焦點[1],其涉及到高爐爐體冷卻技術問題。傳統的爐缸結構是采用平板式鑄鐵或鑄銅作為冷卻壁,其內襯用炭磚砌筑,或炭磚內砌筑一層陶瓷杯磚[2],在冷卻壁與內襯之間筑有一層厚度為80 mm左右的炭素搗打料。由于一般炭素搗打料的導熱系數較低,不利于高爐爐體的快速冷卻,從而影響了高爐壽命。因此高導熱系數炭素搗打料的研制極具應用前景。

本研究通過在炭素搗打料中添加二氧化硅微粉原位反應生成碳化硅晶須,利用碳化硅晶須所具有的高熱導率性質來提高炭素搗打料的導熱性能,以期有效延長高爐使用壽命。

1 實驗

1.1 試樣制備

以冶金焦粉、鱗片石墨為原料,改性中溫瀝青粉(<0.2 mm)為結合劑,外加煤焦油及蒽油,添加二氧化硅微粉,試樣配方如表1所示。按表1中配方稱樣混勻,以60 M Pa的壓力在液壓機上壓制成型,經220℃×24 h烘干處理,再在高溫熱處理爐中經1 550℃×3 h埋炭處理,即制成所需試樣。

表1 試樣配方 (w B/%)Table 1 Formulations of specimens

1.2 檢測

分別按GB/T2997-1987和GB/T5072-1985測定試樣體積密度和常溫耐壓強度;用FLASHL IN-5000E激光導熱儀通過激光閃光法測定試樣的導熱系數[3];用PH IL IPS X’pertpro X射線衍射儀分析試樣的相組成;用Nova400NanoSEM型場發射掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微結構。

2 結果與討論

2.1 物相及顯微結構分析

1 550 ℃熱處理后的3#試樣XRD圖譜如圖1所示。從圖1中可以看出,經1 550℃熱處理后,含4.5%二氧化硅微粉的3#試樣中有SiC相生成。研究表明,碳化硅晶須生成一般遵循氣-固、氣-液-固反應機理[4],分析顯示本研究中碳化硅晶須的生成主要遵循氣-固反應機理。在1 550℃熱處理過程中,試樣中的SiO2反應生成SiO(g),與試樣中的C(s)和反應產生的CO(g)反應生成SiC晶核,隨著反應的不斷進行,SiC晶核沿一維方向生長,從而形成了碳化硅晶須。

圖1 1 550℃熱處理后的3#試樣XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of Sample 3#treated at 1 550℃

1 550 ℃熱處理后的2#～5#試樣顯微結構如圖2所示。從圖2中可以看出,經1 550℃熱處理后,試樣中產生了大量的碳化硅晶須,多分布在孔隙附近,且較為均勻。這主要是由于高溫下SiO2分解速度快,為碳化硅晶須生成提供了足夠的硅源,同時高溫熱處理使試樣的氣孔率增大,為碳化硅晶須的生成提供了必要的空間,且此溫度下的碳化硅晶須結晶能力出現降低,其有利于晶須沿長度方向生長。由圖2中還可以看出,3#樣和5#樣中生成的碳化硅晶須明顯呈啞鈴狀,即在直桿狀晶須的表面分布有念珠狀小球。念珠狀小球和直桿狀晶須的形成是兩個獨立的過程[5],即先生成的直桿狀碳化硅晶須,其生長過程中因雜質或擾流的出現而形成堆疊、層錯等缺陷,與此同時,伴隨碳化硅晶須生成過程產生的SiO等氣態物質在缺陷部位沉積、成核而逐漸長大,最終形成念珠狀小球。

圖2 1 550℃熱處理后的2#～5#試樣顯微結構Fig.2 SEM images of Sam ples 2#～5#treated at 1 550℃

2.2 物理性能

圖3 二氧化硅微粉添加量對試樣常溫耐壓強度的影響Fig.3 Effect of microsilica amount on cold crushing strength of specimens

二氧化硅微粉添加量對試樣常溫耐壓強度和體積密度的影響分別如圖3和圖4所示。由圖3中可以看出,隨著二氧化硅微粉添加量的增加,1 550℃熱處理后的試樣常溫耐壓強度逐漸增大。這是由于隨著二氧化硅微粉的加入,試樣的顆粒堆積密度得到改善,另外經1 550℃高溫燒制后,試樣中生成了大量網絡交錯狀的碳化硅晶須,結果增大了試樣的強度。從圖4中可看出,在相同的二氧化硅微粉添加量下,1 550℃熱處理后的試樣體積密度低于220℃烘后的試樣體積密度。這是因為隨著熱處理溫度升高,試樣中的瀝青、焦油等成分在熱解、炭化過程中釋放出的氣體量增多,結果使試樣的致密度降低、體積密度減小。

圖4 二氧化硅微粉添加量對試樣體積密度的影響Fig.4 Effect of microsilica amount on bulk density of specimens

二氧化硅微粉添加量對試樣導熱系數的影響如圖5所示。由圖5中可以看出,經1 550℃熱處理后的試樣,其導熱系數隨二氧化硅微粉添加量的增加先增大后減小,但均大于未加二氧化硅微粉的1#試樣導熱系數;二氧化硅微粉添加量為6.5%時,試樣導熱系數達到最大值。這是由于焦炭的石墨化程度不高、導熱系數低,故未添加二氧化硅微粉的1#試樣導熱系數較低;而添加二氧化硅微粉的試樣經1 550℃熱處理后,原位反應生成了一定量的高導熱系數的碳化硅晶須,隨著二氧化硅微粉添加量的增大,生成的碳化硅晶須逐漸增多,故試樣導熱系數增大;當二氧化硅微粉添加量為8.5%時,由于受氣氛或反應環境等的影響,生成的碳化硅晶須逐漸減少,試樣的導熱系數開始降低。

圖5 二氧化硅微粉添加量對試樣導熱系數的影響Fig.5 Effect of microsilica amount on thermal conductivity of specimens

3 結論

(1)在炭素搗打料中加入二氧化硅微粉,經1 550℃熱處理可原位反應生成碳化硅晶須,晶須呈啞鈴狀。

(2)隨著初期二氧化硅微粉添加量增加,試樣常溫耐壓強度、體積密度和導熱系數提高;二氧化硅微粉添加量為8.5%時,試樣碳化硅晶須生成量減少,導熱系數降低。

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[3] 葛山,尹玉成.激光熱擴散法測定高爐炭磚導熱性能的研究[J].炭素技術,2008,27(2):27-29.

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