碳化硅澆注料在垃圾焚燒爐內(nèi)具有保護(hù)金屬水冷管和傳熱的雙重作用，其失效的主要形式是受爐內(nèi)高溫氣體作用產(chǎn)生開裂和剝落。近年來，碳化硅澆注料抗水蒸氣氧化成為了重點(diǎn)研究，碳化硅澆注料在1000℃空氣和水蒸氣條件下的氧化行為，對改進(jìn)垃圾焚燒爐用SiC材料的制備技術(shù)，優(yōu)化爐襯配置等具有重要的指導(dǎo)作用。
試驗(yàn)用主要原料為：工業(yè)SiC顆粒SiC≥98%，粒度為3~1.5/1.5~0.5、≤0.5mm，SiC細(xì)粉SiC≥97.5%，粒度≤45μm，SiO2微粉、AL2O3微粉和鋁酸鈣水泥，試樣中骨料與細(xì)粉的質(zhì)量比為72:28，其中SiO2微粉、AL2O3微粉和鋁酸鈣水泥的添加量依次為5%、3%、5%。按要求配料，經(jīng)混料3~5min后振動(dòng)成型為40mmX40mmX75mm的坯體試樣，養(yǎng)護(hù)24h后于110℃保溫10h干燥，最后于1000℃保溫5h熱處理待用。
1000℃ 保溫5h熱處理后碳化硅澆注料的理化性能：體積密度為 2.68g/cm-3，顯氣孔率為14.1％，和1400℃燒成產(chǎn)品相當(dāng)。由于材料未燒結(jié)，其抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度比較低，分別為 16.2和176MPa。SiC含量約為85%，約含有5%的SiO2和AL2O3以及由鋁酸鈣水泥引入的約1.5%的CaO。
1、氧化試驗(yàn)結(jié)果
圖1示出了碳化硅澆注料在空氣和水蒸氣氧化前后的顯氣孔率。可以看出，無論是空氣還是水蒸氣氧化，顯氣孔率均變化不大。氧化150h試樣與氧化前相比，水蒸氣條件下的顯氣孔率略有增大；空氣條件下的顯氣孔率略有減小。可能與水蒸氣條件下試樣結(jié)構(gòu)遭到較大破壞有關(guān)。一般情況下，碳化硅氧化會因氧化產(chǎn)物SiO2等堵塞氣孔導(dǎo)致氣孔率在氧化初期下降明顯，后期逐漸趨于平穩(wěn)，但對于碳化硅澆注料卻沒有出現(xiàn)早期顯氣孔率下降的情況。可能
和水泥水化產(chǎn)物在1000℃長時(shí)間保溫分解更趨完全有關(guān).
圖2示出了碳化硅澆注料在空氣和水蒸氣中氧化前后質(zhì)量變化率。可以看出，隨著時(shí)間的延長，空氣和水蒸氣條件下質(zhì)量變化率均增大，水蒸氣條件下質(zhì)量變化率增加速度明顯高于空氣條件下的。可能是因?yàn)樗魵鈼l件下，SiC首先會與水蒸氣反應(yīng)生成SiO2，并且氧化層SiO2繼續(xù)與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成Si（OH）4，起不到保護(hù)作用。從氧化反應(yīng)控制機(jī)制來看，在空氣條件下，隨著時(shí)間的延長，氧化反應(yīng)由化學(xué)反應(yīng)控制轉(zhuǎn)向擴(kuò)散控制，速率減緩；在水蒸氣條件下，氧化反應(yīng)主要受化學(xué)反應(yīng)控制.
圖3示出了碳化硅澆注料在空氣和水蒸氣中氧化前后體積變化率。可以看出，空氣條件下體積變化率明顯小于水蒸氣條件下的。隨著時(shí)間的延長，空氣條件下的體積變化率趨于平緩和穩(wěn)定；在水蒸氣氧化后期，體積變化率異常增大，與試樣的結(jié)構(gòu)遭到較大破壞引發(fā)顯氣孔率略有增加相吻合。高溫下水蒸氣向SiC磚孔隙中的滲透能力增加，同時(shí)由于高溫蒸發(fā)而造成的強(qiáng)制流動(dòng)，改善了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，表觀活化能較小，氧化反應(yīng)易于進(jìn)行。
2、分析與討論
碳化硅澆注料在空氣和水蒸氣條件下經(jīng)150h氧化前后的物相組成。可以看出，試樣氧化前的主晶相為碳化硅，1%~3%方石英和1%~3%剛玉。空氣氧化150h后出現(xiàn)了3%的二鋁酸鈣CA2和3%~5%的鈣長石，方石英的量增加為3%~5%。水蒸氣氧化150h后出現(xiàn)了10%的鈣長石，方石英的量增加為3%~5%。結(jié)合氧化前后質(zhì)量變化率可知，水蒸氣條件下生成了更多的氧化產(chǎn)物SiO2，存在形式為方石英和鈣長石。
碳化硅澆注料在空氣中氧化后，氣孔內(nèi)壁光滑，有一層薄的、致密的與基體結(jié)合牢固的液態(tài)保護(hù)膜，和氧化后期顯氣孔率略有降低，質(zhì)量變化率和體積變化率趨于穩(wěn)定相吻合。從碳化硅澆注料在水蒸氣中氧化中看到表面發(fā)生明顯氧化，氧化產(chǎn)物為顆粒狀集聚物。看到碳化硅顆粒和基質(zhì)之間的界面結(jié)合被破壞，形成大裂紋。看到氧化膜表面出現(xiàn)裂紋。和空氣氧化相比，水蒸氣氧化對碳化硅澆注料的結(jié)構(gòu)破壞更嚴(yán)重，隨時(shí)間延長不能形成有效的保護(hù)膜，導(dǎo)致氧化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，體積膨脹到一定程度，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，材料開裂、剝落，失效。
