电解铝槽用免烧成SiC耐火材料的研究

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电解铝行业广泛应用的SiC/Si3N4耐火材料面临着成本高,工艺控制复杂等问题。本文主要研究碳化硅耐火材料的免烧成技术(即碳化硅原料在成型和干燥后,通过应用环境的温度使材料实现自烧结),为碳化硅耐火材料的低成本制造提供一种新的尝试。本文以不同粒级的碳化硅为原料,酚醛树脂为常温结合剂,Si3N4-AlN-Al复合粉体为高温结合基质,通过350MPa双向加压成型,960℃(模拟应用环境温度)烧结来制备样品。考察了材料的密度,抗折强度,抗氧化,抗热震,抗侵蚀等性能,通过XRD、 SEM等来研究材料的物相组成及微观形貌。研究结果表明:(1)以Si3N4-AlN-Al复合粉体作为高温结合基质,采用最佳碳化硅的颗粒级配经过350MPa双向加压成型、960℃烧成后,材料的抗折强度随着结合基质质量百分数的增加没有明显的变化,当结合基质质量百分数为5%时,试样的密度最大为2.57g·cm-3,气孔率最小为17.5%,当结合基质质量百分数为10%时材料的抗折强度最大为7.5MPa。(2)经过2次浸渗硅溶胶、960℃烧结后,材料的致密度得到很大的改善,最大密度为2.67g·cm-3,最小气孔率为12.8%,材料的抗折强度得到显著提高,最大抗折强度为22.7MPa。(3)烧结后材料的主要物相为SiC、Al2O3、AlN、Si3N4、Al3.21Si0.47。浸渗硅溶胶的材料的微观组织均匀,碳化硅大颗粒与基质结合良好,抗热震性能优良,5次热震后的残余抗折强度仍然高于普通试样的原始抗折强度。(4)在电解质摩尔比为2.2、温度为960℃的条件下,试样经2h、6h以及18h抗冰晶石熔液侵蚀后,结合基质质量百分数为12.5%且经过2次浸渗硅溶胶的试样,综合抗侵蚀性能最佳,抗侵蚀18h后的体积损失率为3.2%,与文献报道的高温烧成的Sialon-SiC材料相当。侵蚀温度对材料的抗侵蚀性能影响明显。(5)浸渗硅溶胶试样的抗氧化性优于普通试样,氧化增重明显低于普通试样。在氧化2-10h内,随氧化时间的延长,材料的强度得到提高。论文结果对于电解铝行业降低成本以及免烧成SiC耐火材料的生产和应用具有一定的指导意义和实用价值。
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