氮化硅结合碳化硅材料的生产与应用
◆ 张 林 孟宪省
山东工业陶瓷研究设计院 淄博255031
◆ 赵光华 朱喜仲
水利部丹江口水利枢纽管理局碳化硅总厂
摘 要 阐述了氮化硅结合碳化硅窑具材料的生产技术、生产工艺流程及使用情况。
指出作为现代窑具的替代产品,它具有较好的市场前景。
关键词 氮化硅结合碳化硅,工艺,生产,应用
1 生产工艺与性能
1.1 混料
压制料是按配方称量SiC砂和Si粉,倒入高效混料机,并均匀加入事先称量好且加水稀释的添加剂和临时结合剂。
搅拌15～20min,并过筛,放入料仓困料24h以上。
挤出料是根据配方,用上述相似的方法进行混料和困料。
并应额外加入可塑剂。
注浆料是先将Si粉放在水池中浸泡48h后,再由泥浆泵抽送到压滤机经压滤处理。
根据配方称量SiC砂和Si饼,倒入高速搅拌罐并加入一定量的水、临时结合剂和悬浮剂搅拌2h。
1.2 成型
压制成型是将困好的料准确称量后,均匀布于模具中,振动加压成型,再经真空吸盘转移到储坯车上。
挤出成型是将混合料放入真空练泥机进行真空处理,使泥料均匀混合。
泥料用塑料薄膜覆盖严实,困料24h,再经真空挤出成型机挤出。
浇注成型主要是满足异型件要求,由于SiC 砂和Si粉为瘠性料,自身密度大,导致泥浆的悬浮性差,易产生沉淀,使泥浆内颗粒分布不均匀。
因此,配方中颗粒不能太粗且比例要适当,同时加入悬浮剂和解胶剂(一般采用明胶),并采用压力注浆。
然后把经24h搅拌过的泥浆从储浆罐抽入压力注浆罐中,进行真空处理,注浆罐带有慢速搅拌机,加压后泥浆通过管道输送至浇注台的石膏模内成型;保持一定的压力和时间,待吃浆厚度达到要求后,空浆;坯体巩固后,脱模。
1.3 干燥
成型后粗修和整形的合格坯体,入储坯车至干燥室内。
干燥室的热风来自热风炉(或窑炉余热利用),热风温度以100～120℃为好,有条件也可使用电热干燥。
应严格控制升温速度,以免坯体出现变形或开裂。
坯体干燥3天。
达到干燥残余水分(一般<0.5%)后推出冷却,经精修坯体和生坯检查,合格的进入氮化炉烧成。
1.4 烧成
合格干燥品装入窑车进氮化室,对氮化反应空间密封后推入梭式窑,接上充氮管和抽真空管,升温至700～1450℃进行抽真空和氮化烧成。
中高温氮化阶段(指1100℃以上),严格控制升温制度及氮气质量,氮气纯度应达到99.99%以上。
在1180℃及1280℃两个反应高峰期应增加保温时间,以免反应过速出现“流硅”。
1.5 制品的性能
氮化硅结合碳化硅制品抗折强度随温度升高而提高,至1400℃时,强度开始下降,但到1500℃时仍保持常温抗折强度指标。
氮化硅结合碳化硅材质的高温抗折强度是普通耐火材料的4～8倍;热膨胀系数是高铝耐火材料的一半;导热系数是一般耐火材料的7～8倍[1]。
生产应用
NAIHU O CAILIAO 1999,33(3)156～157,175
收稿日期:1998-09-07编辑:徐慧娟156
耐火材料1999/3
2 应用
2.1 建筑卫生陶瓷行业
1996年,我国卫生陶瓷产量为5492万件[2]。
卫生瓷行业以往采用匣钵烧成,窑具与产品重量比为(7～4)∶1,窑具能耗占总能耗的30%～40%。
引进窑炉采用明焰裸装烧成,窑具与制品的重量比在0.8～1.2之间,降低了能耗,提高了产品质量。
近年发展了辊道窑烧成卫生瓷、墙地砖,采用氮化硅结合碳化硅辊棒解决了烧成温度高、荷重大这一难点。
浇注成型的氮化硅结合碳化硅烧嘴套管,已广泛用于各种窑炉的烧成。
表1、表2反映了全球SiC材质的使用情况。
表1 几种SiC材质辊棒的使用情况
项 目1993年1995年1998年(预计)反应烧结S iC/%437268
重结晶S iC/%272722
S i3N4-SiC/%0110
表2 SiC材质横梁、立柱及棚板等应用情况
项 目1993年1995年1998年(预计)反应烧结S iC/%304020
重结晶S iC/%603010
S i3N4-SiC/%103070
2.2 日用瓷行业
我国日用瓷产量居世界首位,大多数用匣钵隔焰烧成,由于匣钵质量差,影响产品质量及合格率。
随着行业的发展及技术改造,越来越多的厂家开始采用煤气、天然气或液化石油气对产品进行明焰烧成。
采用氮化硅结合碳化硅材质的窑具可明显降低窑具与制品的重量比,节能降耗,同时提高产品的质量及合格率。
近年使用辊道窑烧成日用瓷,采用氮化硅结合碳化硅辊棒提高了使用寿命。
2.3 电瓷、电子陶瓷工业
电力行业高电压的发展促进了电瓷业的发展。
电瓷业采用传统的厚、重粘土结合或氮化物结合碳化硅窑具烧成绝缘子、套管等;电子陶瓷-铁氧体等的烧成,大多也采用SiC质窑具。
电瓷和电子陶瓷行业需高温高强度、热稳定性好、使用寿命长、价格适宜的窑具材料,这为Si3N4-SiC窑具提供了广阔的市场。
2.4 冶金行业
多数大型冶金企业都在寻求一种抗冲刷且侵蚀性能更好的材料,重结晶碳化硅能满足需要,但价格昂贵。
氮化硅结合碳化硅材料能满足性能需要,且价格仅为重结晶SiC的1/7～1/10。
氮化硅结合碳化硅砖在美、日、德等国家已使用多年,效果良好。
近几年,我国一些大型钢铁公司氮化硅结合碳化硅砖的试用已获得成功。
2.5 垃圾焚烧炉
一些发达国家将垃圾在焚烧炉中处理,在满足环保的同时,利用了热能。
近年在国内几个大城市也已启动了类似工程。
在欧洲,焚烧炉中使用氮化硅结合碳化硅衬砖材料,1993年约占10%,1995年为30%,1998年预计为35%。
2.6 砂轮行业
砂轮行业对窑具,特别是棚板的要求很高,荷载大,烧成温度高,烧成周期长。
国内很多砂轮厂家仍在使用50mm厚的粘土板或粘土结合SiC 板,不仅占用了装窑空间,而且使用寿命不长。
采用氮化硅结合碳化硅棚板,厚度可降到25m m左右,而且传热效率高,延长了使用寿命。
3 结论
采用15～25mm厚的氮化硅结合碳化硅窑具替代30～50mm厚的粘土结合SiC板可节能15%[3],每吨价格仅为2.4～3.0万元。
氮化硅结合碳化硅材料所具有的良好特性,能大幅度提高烧成产品的质量和合格率,降低生产成本,是一种值得推广的窑具材料。
参考文献
1 梁振海等.氮化硅结合碳化硅窑具材料.陶瓷,1996,(5):19～21
2 张林.发展配套中高档卫生洁具,振兴我国陶瓷工业.陶瓷工程,1998,(5):50～54
3 肖俊明等.Si3N4结合S iC窑具的研究及应用.中国陶瓷,1996,
(1):19～21
张林:男,1973年生,助理工程师,主要从事窑具材料的研究开发及窑炉的设计施工工作。
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生产应用
耐火材料
NAIHU O CAILIAO1999/3157。