等離子體氣化爐用SiC質(zhì)耐火材料制備與性能研究.pdf

1、等離子體氣化爐通過對空氣進(jìn)行電離瞬間產(chǎn)生3000℃～10000℃的高溫，可對高危垃圾實(shí)現(xiàn)無害化處理。目前等離子體氣化爐普遍使用含鉻爐襯材料，在生產(chǎn)和使用過程中會造成鉻污染;SiC具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和抗熔渣侵蝕性能，是等離子體氣化爐襯重要的耐火材料，然而等離子炬周圍1700℃的高溫環(huán)境及不斷充入的空氣會導(dǎo)致SiC氧化，性能急劇下降;而且高危垃圾焚燒產(chǎn)生的水蒸氣對上部爐襯SiC亦會產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。因此，研究抗氧化性能優(yōu)良、耐水蒸氣腐蝕性強(qiáng)

2、、力學(xué)性能優(yōu)異的等離子體氣化爐用SiC質(zhì)耐火材料，對于推動我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
　　本文首先研究等離子體氣化爐原爐襯Al2O3-Cr2O3磚損毀機(jī)理，制備硅溶膠結(jié)合SiC澆注料和MgAl2O4-Cr2O3澆注料，并與Al2O3-Cr2O3磚抗渣性進(jìn)行對比，為爐襯耐火材料的選擇提供指導(dǎo);然后針對硅溶膠結(jié)合SiC澆注低溫強(qiáng)度差的問題，引入α-Al2O3微粉和SiO2微粉，提高結(jié)合強(qiáng)度，研究其結(jié)合機(jī)理;接著以致密六鋁酸鈣(C

3、A6)骨料取代SiC顆粒提高抗水蒸氣腐蝕性，探明SiC澆注料、MgAl2O4-Cr2O3澆注料和CA6-SiC澆注料水蒸氣腐蝕機(jī)理;然后開展金屬Zr/Ti對SiC澆注料高溫處理后性能的影響研究，模擬等離子體氣化爐實(shí)際工況條件，研究添加Zr/Ti的SiC澆注料經(jīng)過放電等離子燒結(jié)(SPS)后的物性參數(shù)變化，探明SPS條件下SiC澆注料微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，揭示不同溫度下SiC澆注料氧化動力學(xué)特征及抗氧化機(jī)理。通過上述的研究工作，可以得到如下主要結(jié)

4、論:
　　1.盡管熔渣中FeO與Al2O3-Cr2O3磚反應(yīng)形成少量的Fe(Cr，Al)2O4尖晶石存在于掛渣層;但熔渣與Al2O3-Cr2O3-ZrO2-SiO2顆粒及剛玉顆粒分別反應(yīng)生成CAS2與玻璃相造成Al2O3-Cr2O3磚結(jié)構(gòu)破壞。
　　2.與Al2O3-Cr2O3磚相比，SiC澆注料和MgAl2O4-Cr2O3澆注料均具有優(yōu)異的抗渣性能;兩種澆注料經(jīng)過不同溫度處理后力學(xué)性能變化明顯，SiC澆注料由于結(jié)合劑為硅溶

5、膠，110℃烘后強(qiáng)度低，中高溫階段SiC澆注料強(qiáng)度提升明顯，1500℃下，SiO與CO反應(yīng)原位形成SiC晶須，顯著提高了斷裂能，比MgAl2O4-Cr2O3澆注料顯示出更高的抗熱應(yīng)力損傷因子，1700℃處理的SiC澆注料原位形成大量SiC晶須，顯著提高了強(qiáng)度。
　　3.α-Al2O3微粉能夠促進(jìn)硅溶膠的凝結(jié)與硬化，增大硅溶膠結(jié)合SiC澆注料110℃烘干后的強(qiáng)度，然而α-Al2O3微粉過多，試樣凝結(jié)太快，流動性變差，顯氣孔率增加;添

6、加2wt％α-Al2O3微粉和3wt％SiO2微粉的試樣具有較高的烘后強(qiáng)度。CA6骨料中含有少量的α-Al2O3，以CA6骨料取代SiC顆粒制備的CA6-SiC澆注料具有較高的烘后強(qiáng)度。
　　4.CA6在1000℃的高溫濕空氣條件下穩(wěn)定性較好，而SiC和Cr2O3會與高溫濕空氣發(fā)生反應(yīng)。SiC在高溫濕空氣條件下首先被O2氧化形成SiO2，隨著濕空氣持續(xù)腐蝕，硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Si-O-Si）與水蒸氣反應(yīng)形成硅醇基（Si-OH）造成Si

7、O2保護(hù)膜破壞，形成不規(guī)則多孔狀SiO2膜;Cr2O3高溫條件下與H2O(g)和O2(g)反應(yīng)形成氣相產(chǎn)物CrO2(OH)2(g)。相比于SiC澆注料和MgAl2O4-Cr2O3澆注料，CA6-SiC澆注料具有較好的抗高溫濕空氣腐蝕性能。
　　5.添加Zr/Ti能夠提高SiC澆注料的高溫抗氧化性能。1500℃下，Zr/Ti優(yōu)先氧化產(chǎn)生體積膨脹，堵塞氣孔，降低氧分壓，促進(jìn)生成SiC晶須與石墨化碳，減少SiC與C的損耗，使SiC澆注料

8、達(dá)到自修復(fù)功能并顯著增強(qiáng)材料高溫力學(xué)性能。然而過量的金屬會氧化產(chǎn)生較大體積膨脹，導(dǎo)致氣孔率升高，反而不利于性能的提升，添加Zr/Ti0.6wt％能夠顯著提高SiC澆注料力學(xué)性能與抗氧化性能。1700℃下，Zr/Ti高溫下優(yōu)先氧化，能夠降低基質(zhì)部分氧化性氣體分壓，Zr氧化形成的ZrO2溶于SiO2中，形成ZrO2-SiO2混合液相，降低SiO2蒸氣壓，在試樣表面形成ZrO2-SiO2保護(hù)層，使材料達(dá)到自保護(hù)的效果;TiO2與SiO2相比不

9、易揮發(fā)，且能夠降低SiO2的粘度，提高液相流動性，有利于材料表面氣孔的愈合，提高抗氧化性能與力學(xué)性能。
　　6.SiC澆注料經(jīng)過1600℃×15min SPS處理后，顆粒通過SiO2玻璃相結(jié)合呈現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相比于熱壓燒結(jié)后的試樣具有更高的致密化程度。在SPS過程中，Ti高溫下熔化成液滴，試樣中由硅微粉和硅溶膠引入的SiO2形成液體氧化物，Ti液和SiO2液相界面形成雙電層，在SPS系統(tǒng)高頻脈沖電場的作用下，界面由于電毛細(xì)原理出

10、現(xiàn)表面張力梯度，導(dǎo)致Ti滴與SiO2液相向著相反方向遷移，最終使Ti液滴均勻涂覆在SiC顆粒表面。且Ti與Si及炭黑發(fā)生反應(yīng)生成片狀Ti3SiC2（MAX相），最終生成片狀Ti3SiC2包裹SiC顆粒的結(jié)構(gòu)，顯著提高了試樣的力學(xué)性能;經(jīng)過SPS的試樣由于致密化程度較高，在1500℃下具有更加優(yōu)異的抗氧化性能;在1700℃下，Ti3SiC2包裹SiC顆粒的試樣經(jīng)過氧化后在試樣表面形成TiO2扎釘在玻璃態(tài)SiO2中的結(jié)構(gòu)，表面保護(hù)層致密，具