辛占武,顧華志,朱晶晶,楊 林,王小軍

(1.武漢科技大學(xué)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(chuàng)科技發(fā)展有限公司,北京,102400)

高爐長壽命問題已成為當(dāng)前業(yè)內(nèi)關(guān)注的一個焦點[1],其涉及到高爐爐體冷卻技術(shù)問題。傳統(tǒng)的爐缸結(jié)構(gòu)是采用平板式鑄鐵或鑄銅作為冷卻壁,其內(nèi)襯用炭磚砌筑,或炭磚內(nèi)砌筑一層陶瓷杯磚[2],在冷卻壁與內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)炭素搗打料的研制極具應(yīng)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(yīng)生成碳化硅晶須,利用碳化硅晶須所具有的高熱導(dǎo)率性質(zhì)來提高炭素搗打料的導(dǎo)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(jié)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(jīng)220℃×24 h烘干處理,再在高溫?zé)崽幚頎t中經(jīng)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(dǎo)熱儀通過激光閃光法測定試樣的導(dǎo)熱系數(shù)[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(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相及顯微結(jié)構(gòu)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(jīng)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(yīng)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(yīng)機理。在1 550℃熱處理過程中,試樣中的SiO2反應(yīng)生成SiO(g),與試樣中的C(s)和反應(yīng)產(chǎn)生的CO(g)反應(yīng)生成SiC晶核,隨著反應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出,經(jīng)1 550℃熱處理后,試樣中產(chǎn)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?zé)崽幚硎乖嚇拥臍饪茁试龃?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(jié)晶能力出現(xiàn)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(zhì)或擾流的出現(xiàn)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(chǎn)生的SiO等氣態(tài)物質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jīng)1 550℃高溫?zé)坪?試樣中生成了大量網(wǎng)絡(luò)交錯狀的碳化硅晶須,結(jié)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(jié)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(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖5所示。由圖5中可以看出,經(jīng)1 550℃熱處理后的試樣,其導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù);二氧化硅微粉添加量為6.5%時,試樣導(dǎo)熱系數(shù)達到最大值。這是由于焦炭的石墨化程度不高、導(dǎo)熱系數(shù)低,故未添加二氧化硅微粉的1#試樣導(dǎo)熱系數(shù)較低;而添加二氧化硅微粉的試樣經(jīng)1 550℃熱處理后,原位反應(yīng)生成了一定量的高導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)增大;當(dāng)二氧化硅微粉添加量為8.5%時,由于受氣氛或反應(yīng)環(huán)境等的影響,生成的碳化硅晶須逐漸減少,試樣的導(dǎo)熱系數(shù)開始降低。

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

3 結(jié)論

(1)在炭素搗打料中加入二氧化硅微粉,經(jīng)1 550℃熱處理可原位反應(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)降低。

[1] 段大福,李貴華,段曉東,等.高爐修補壓入料的研制[J].四川冶金,2000,22(4):34-36.

[2] 鄧棠,鄒祖橋,李懷遠,等.武鋼7號高爐爐底、爐缸用炭素搗打料和炭素膠泥選擇試驗研究[J].煉鐵,2005,24(5):24-26.

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

[4] Kun Wang,Yi-Bing Cheng,Huanting Wang.Grow th of SiC whiskers by carbothermal reduction of mesoporous silica-carbon composites infiltrated with SiC nuclei[J].Journal of the Australian Ceramic Society,2009,45(1):10-12.

[5] 白朔,成會明,蘇革,等.啞鈴型碳化硅晶須生長的機理[J].材料研究學(xué)報,2005,16(2):136-140.