复合树脂结合SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料原位强化机制及性能优化的基础研究

According to the urgent needs of strict requirements on performance of carbon-containing non-oxide refractory composites with the development of new technologies and processes of ferrous metallurgy, this project is to develop a novel high-performance and low-cost SiC-ZrN-Sialon-C refractory composites with ZrN-Sialon-C, transformed by carbothermal reduction nitridation from zircon and low-grade bauxite, as raw material, the SiC particles as aggregate, and composite phenolic resin as binders. The proposal focuses on studying the influence of different composite resin on the high-temperature strength of SiC-ZrN-Sialon-C refractory composites, researching the mechanism of interaction and in-situ reinforcement among pyrocarbon from different resin and various phases inside the refractory composites, investigating the slag resistance behavior to blast furnace slag and steelmaking slag and the oxidation kinetics of SiC-ZrN-Sialon-C refractory materials. It will reveal the high-temperature strength contribution of composite resin binders on the refractory composites, the oxidation mechanisms, and the evolution law of micro- and nano-structures. Finally, an optimized preparation technology of SiC-ZrN-Sialon-C refractory composites with high performance will be obtained. This study lays an important theoretical foundation for the technical progress of new high-performance carbon-containing non-oxide refractory composites, and is of great theoretical and practical significance to the development of the new technologies and processes of ferrous metallurgy.

本项目针对目前钢铁冶金新技术新工艺对高性能含碳非氧化物耐火材料苛刻性能的迫切需求，提出以锆英石和中低品位铝矾土为原料，通过碳热还原氮化转型转相制备非氧化物ZrN-Sialon-C复相耐火原料，以SiC颗粒为骨料和复合酚醛树脂为结合剂，制备高性能低成本SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料。重点研究复合树脂结合剂对耐高温材料高温强度影响规律，复合树脂热解碳结构与各物相之间相互作用行为和原位强化机制，探讨耐高温材料抗高炉渣和炼钢渣侵蚀行为以及氧化动力学，揭示复合树脂结合剂对材料高温强度贡献和抗氧化机理及微纳结构的演化规律，优化SiC-ZrN-Sialon-C耐高温材料的性能，形成新型高性能SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料的制备技术。本项目研究将为新型高性能含碳非氧化物复相耐高温材料技术进步奠定重要理论基础，对我国钢铁冶炼新技术和新工艺发展具有重要的理论意义和实际应用价值。

本项目针对目前钢铁冶金新技术新工艺对高性能含碳非氧化物耐火材料苛刻性能的迫切需求，开展了以锆英石和中低品位铝矾土为原料，通过碳热还原氮化转型制备ZrN-Sialon-C复相耐火原料，并以复合树脂为结合剂、SiC颗粒为骨料，研究制备出高性能低成本SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料。重点研究了碳热还原氮化制备ZrN-Sialon复相粉体的物相组成和微观形貌、添加剂种类及含量不同的复合树脂结合SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料力学性能和原位强化机制、复相耐高温材料氧化过程行为和抗钢渣侵蚀性能及其相关作用机理。.研究结果表明，在炭黑、焦炭和铝粉三种还原剂中，焦炭为最佳还原剂，其更有利于锆英石转化为ZrN。相较于TiO2、硼酸、炭黑而言，石墨微片复合树脂热解炭其抗氧化性能更高。SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料经1500℃热处理后，ZrN-Sialon耐火粉体转化为ZrO2、刚玉和石英。当ZrN-Sialon添加量为40wt%时，SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料常温抗折强度达到最大。添加石墨微片或金红石矿物均有利于提高含碳复相耐高温材料的抗折强度，试样经1500℃热处理后其抗折强度增大。当氧化温度为1200℃时，ZrO2和方石英反应生成锆英石，当氧化温度为1400℃时，刚玉和方石英生成莫来石。氧气气氛下SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料被钢渣侵蚀严重，还原气氛下没有发生侵蚀现象，而在氩气气氛下由于扩散和渗透产生的致密层，使得复相耐高温材料抗渣侵蚀性能得到提高。.本项目获得了矿物转型及复合树脂结合制备SiC-ZrN-Sialon-C复相耐高温材料的优化制备技术，揭示了炭质结合剂结构对复相耐高温材料高温下强度影响规律及其作用机制，阐明了复相耐高温材料氧化行为和抗渣侵蚀过程及其相关机理，最终构建起SiC-ZrN-Sialon-C 复相耐高温材料的“矿物转型—原料合成—结合剂复合优化—作用行为—制备工艺—性能优化”之间多因素联动影响机制的系统优化设计体系。本项目研究将为新型高性能含碳非氧化物复相耐高温材料技术进步奠定重要理论基础，对我国钢铁冶炼新技术和新工艺发展具有重要推动作用和实际应用价值。