碳化硅质耐火材料
材料科学与工程学院 10材料2班李佳
摘要：本文介绍了碳化硅质耐火材料的性质，发展和应用
关键字：碳化硅质耐火材料，性质，发展，应用
碳化硅具有较高的耐火性能和化学稳定性, 因此被广泛应用于各种耐火材料中, 但目前我国尚无完整的不同含量碳化硅耐火材料的化学分析方法。

碳化硅质耐火材料的分析项目一般有: 游离碳、二氧化硅、碳化硅、游离硅、三氧化二铁、三氧化铝。

1.游离碳
分析游离碳有3 种方法, 即燃烧重量法、气体容量法、气体重量法。

燃烧重量法只适用于纯碳化硅试样, 含有机物、结晶水以及其它可挥发物性质的耐火材料不适用此法来测定; 气体容量法由于分析速度快, 精度高, 操作简便, 最为常用; 气体重量法由于测试时间长, 精度不高, 不常用, 但此法可以任意延长试样的分解时间, 同时, 二氧化碳吸收量较大, 故适用于测定碳化硅质耐火材料中含碳高的耐火材料。

2.碳化硅
分析碳化硅有直接法及间接法。

间接法又分为以测定碳化硅中的碳来换算和以测定碳化硅中的硅来换算两大类。

间接法测硅方法对仪器要求低, 换算系数小, 但测试时间长, 操作复杂, 不易掌握, 测碳方法快速, 简便,干扰小, 适用范围宽, 但对仪器精密度要求高, 换算系数大。

常用气体容量法和气体重量法及红外吸收法测碳。

直接
法快速简便, 但适用范围窄。

3.二氧化硅
分析二氧化硅有重量- 钼蓝光度法、挥散法、硅钼蓝比色法3 种。

挥散法只适应于纯碳化硅试样, 采用硝酸、氢氟酸处理试样, 游离硅和二氧化硅发生反应, 生成四氟化硅逸出, 而碳化硅则不与氢氟酸反应, 从总量中扣除游离硅含量, 即可得二氧化硅含量。

此方法理论上的准确度高, 但整个操作流程相对比较复杂, 测定周期长, 所以主要用于测碳化硅质制品中的总硅量。

然后通过计算, 得出二氧化硅量。

4.游离硅
分析游离硅采用硅钼蓝比色法测定, 可分为直接法和间接法两种。

直接法是采用游离硅能溶于热的氢氧化钠溶液的性质, 将其与二氧化硅及碳化硅分离, 然后采用硅钼蓝比色, 从而得其含量。

间接法将游离硅及二氧化硅溶于硝酸钠、硝酸、氢氟酸混合液中, 用硅钼蓝吸光光度法测得其含量减去二氧化硅的含量换算而得。

5.三氧化二铁
采用邻二氮杂菲光度法、磺基水杨酸光度法、EDTA 容量法测定。

邻二氮杂菲灵敏度高, 准确度好, 测定酸度允许范围宽。

磺基水杨酸灵敏度低,对低含量铁的试样测定准确度不够。

EDTA 容量法操作简便, 快速, 但对试液酸度、温度、滴定速度有严格要求, 容易偏高。

6.三氧化二铝
对于常量三氧化二铝的测定有强碱分离法、氟化物置换及铁铝连
测法。

强碱分离法准确度高, 但分离手续繁琐。

氟化物置换法需多次煮沸, 终点也不好掌握。

铁铝连测法, 简便, 快速, 准确度及精密度与上述两种方法相当。

对于低含量三氧化二铝一般用铬天青S 光度法或埃铬K 青光度法。

综上所述, 要测定耐火材料中碳化硅含量不同的耐火材料应选择适当的方法。

随着我国电力行业有计划、有步骤地朝着正规化、大火电方向发展,5～10 万千瓦机组的小火电和410t/ h ,200t/ h 煤粉炉将被淘汰和限制生产。

而对节能和环保有利的循环硫化床炉、城市垃圾焚烧炉及大型(830t/ h 以上的) 煤粉炉将取而代之,迅速发展。

这就对锅炉用耐火材料提出了新的要求,即要求耐火材料具有高耐磨、高强度、抗腐蚀、抗热震性好等特点,特别是要求炉衬材料在900 ℃左右的中、低温状态下具有以上特点,传统的煤粉炉炉衬材料,如高铝、粘土砖,普通的耐火浇注料、可塑料等已不能满足其要求,所以急需开发新的耐磨耐火材料。

碳化硅质耐火材料因具有其它普通耐火材料所不具备的特性,如高的热导率、低的膨胀系数、很好的耐磨性以及几乎不与熔渣反应等特性,在这一领域应用较为广泛。

碳化硅质耐火材料在电站锅炉上的开发与应用
1）在循环硫化床锅炉上的开发与应用
循环硫化床锅炉是近期引入我国的环保型电站锅炉,在运行过程中经常存在以下2个问题:(1)由于温度循环波动和热冲击以及机械应力造成炉衬裂缝和剥落。

(2)由于固体物料对耐火材料的冲刷而造成耐火炉衬的破坏。

前者由于温度快速变化造成热冲击(如启动过程中)
破坏材料强度,引发裂缝和剥落,此外耐火材料与金属构件的热膨胀系数不同,也是造成粘结处开裂、剥落的一个原因。

对此,选择抗热震性能好的、高导热率、低膨胀系数的碳化硅质耐火材料较为合适。

后者要提高耐火材料衬里抗冲刷、耐磨损的能力,除了原料本身应具有耐磨性外,还应重视其形成炉衬的整体强度(既耐火材料内在的基质与骨料间的连接强度)和耐磨性;应该指出的是耐压强度高的材料,不一定耐磨性就好,但耐磨性好一定要强度高。

所以采用碳化硅质的耐磨耐热材料作为硫化床锅炉内衬时,一定要选择适当的结合方式,提高基质与骨料间的连接强度。

目前由电力建设研究所开发的“SZM型复合碳化硅耐磨可塑料”的技术性能满足上述要求,具体指标如表1。

表1 SZM型复合碳化硅耐磨可塑料的技术性能
从表中看出,该材料具有很好的耐磨性、热震稳定性、体积稳定性及强度、导热性能也很好。

除此而外,该材料还具有很好的使用性能,如现场配制简单,强度增长快,便于后续施工及与金属构件粘结牢固等。

可用于循环硫化床锅炉的燃烧室的内衬和高温分离的入口处等。

2)在普通锅炉上的应用与开发
碳化硅质耐火材料以其高热导、耐高温、抗热震以及几乎不与熔融渣反应等特性,也经常被用于普通煤粉炉的卫燃带。

如97年、98年华能北京热电厂安装的4台德国进口200兆瓦机组时,其卫燃带内衬使用的是一种VE-90SiC耐火材料。

华能北京热电厂,一期工程建设规模为4×830t/h,德国Babcock公司技术生产的塔式直流液态排渣燃煤锅炉。

锅炉的下部左右两侧分别设有一液态燃烧室,布置为“W”型,喷燃器处于“W”燃烧室两侧的顶部,喷口垂直向下。

为维持燃烧室内高温温度场,保证燃烧稳定,提高燃尽程度,防止高温烟气及炉渣对管壁的侵蚀和剧烈冲刷而磨损管壁,在整个“W”燃烧室水冷壁带有扒钉的区域铺设一层具有耐磨、导热性好及高温强度高的碳化硅耐火炉衬,以保证此部位的安全运行。

与国内同类材料相比,在使用性能上具有较多优点:如多种施工性能,既可捣打又可涂抹施工。

再如现场配料严格又简单,以100公斤为每次配制的最小量,即一桶结合剂与3袋粉料配合,就能达到很好的和易性和粘塑性,无需困料;要涂抹施工的话,可在每100公斤材料中加水0.3升。

其次,该材料与金属构件的粘结牢固,强度增长快,凝固时间短,垂直面无需支模也能施工等。

深得西北电建一公司和山西电建二公司等施工人员的赞赏。

在技术性能上与国内同类材料比较相近。

目前,由国家电力公司电力建设研究所开发的“新型碳化硅耐火材料”,不但在使用性能上具备VE-90SiC的特点,在技术性能上还达到或超过VE-90SiC。

该材料在邯郸电厂(美国F・W公司进口机组)的试用施工中效
果良好,施工单位表示该材料值得推广。

碳化硅质耐火材料在垃圾焚烧炉上的应用
垃圾焚烧炉衬用耐火材料,应具备以下几个特点:①具有1600℃以上的耐火度;②高导热率;③高强度,高耐磨性;④抗侵蚀性好;⑤抗热震性好;⑥低成本,高寿命。

这些要求,我所研制的上述2种碳化硅质材料均能满足。

在现代的垃圾焚烧炉中,废物燃烧的热量用来产生蒸汽,这需要采用水介质热交换器来实现,鉴于热交换和耐用的目的,采用碳化硅质耐火材料的作用是显而易见的。

日本Ariyoshi等研究了含0～75%SiC的Al2O32SiC浇注料及含15%Cr2O3的Al2O32SiC浇注料对3种合成的不同碱度的垃圾灰渣的抗侵蚀性,结果表明只有含75%SiC的Al2O32SiC浇注料对不同碱度的垃圾灰渣均表现出了良好的抗侵蚀性。

另外德国Dhupia等对垃圾焚烧炉用的SiC捣打料及喷涂料进行了分析,认为在100℃左右烘干后能保持足够的强度,而且在100～1400℃加热处理后,也具有较高的强度[6]。

结束语：
综上所述,在实际应用中如需要耐热震稳定性、耐结构剥落、抗渣侵蚀及高导热率等特性时,碳化硅质耐火材料应为首选。

从发展趋势来看,SiC 质不定形耐火材料不仅在冶金、建材等行业有着举足轻重的地位,随着大型循环硫化床锅炉的引进及小电厂改造(逐步改造成洁净燃烧的供热锅炉和垃圾焚烧炉) 碳化硅质不定形耐火材料在电力行业上的应用也将越来越广泛。

愿我们能开发出自己的、性能先进的、适应各行业发展的不定形碳化硅耐火材料。

参考文献：
1.孙键. 用红外碳硫分析仪测定脱氧剂中碳化硅[J ]. 理化检验——化学分册, 2001, 37 (3) : 135
2。

洛阳耐火材料所编著. 耐火材料化学分析[M ]. 北京∶冶金出版社,1984
3.GBö3 045- 89 碳化硅化学分析方法.
4.林炳熹. 常用耐火材料化学分析标准综述[J ]. 耐火材料, 1996, 30 (1) :42
5.杨笛,李寅雪,李纯,等. 新型碳化硅材料的研制.电力建设,2001(2) :42
6.王战民.含碳化硅不定型耐火材料的特性及应用. 耐火信息. 2000202215 (3)。