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等离子体气化炉通过对空气进行电离瞬间产生3000℃~10000℃的高温,可对高危垃圾实现无害化处理。目前等离子体气化炉普遍使用含铬炉衬材料,在生产和使用过程中会造成铬污染;Si C具有优异的高温力学性能和抗熔渣侵蚀性能,是等离子体气化炉衬重要的耐火材料,然而等离子炬周围1700℃的高温环境及不断充入的空气会导致Si C氧化,性能急剧下降;而且高危垃圾焚烧产生的水蒸气对上部炉衬Si C亦会产生严重腐蚀。因此,研究抗氧化性能优良、耐水蒸气腐蚀性强、力学性能优异的等离子体气化炉用Si C质耐火材料,对于推动我国环保事业的发展具有重要意义。本文首先研究等离子体气化炉原炉衬Al2O3-Cr2O3砖损毁机理,制备硅溶胶结合Si C浇注料和Mg Al2O4-Cr2O3浇注料,并与Al2O3-Cr2O3砖抗渣性进行对比,为炉衬耐火材料的选择提供指导;然后针对硅溶胶结合Si C浇注低温强度差的问题,引入α-Al2O3微粉和Si O2微粉,提高结合强度,研究其结合机理;接着以致密六铝酸钙(CA6)骨料取代Si C颗粒提高抗水蒸气腐蚀性,探明Si C浇注料、Mg Al2O4-Cr2O3浇注料和CA6-Si C浇注料水蒸气腐蚀机理;然后开展金属Zr/Ti对Si C浇注料高温处理后性能的影响研究,模拟等离子体气化炉实际工况条件,研究添加Zr/Ti的Si C浇注料经过放电等离子烧结(SPS)后的物性参数变化,探明SPS条件下Si C浇注料微结构演变规律,揭示不同温度下Si C浇注料氧化动力学特征及抗氧化机理。通过上述的研究工作,可以得到如下主要结论:1.尽管熔渣中Fe O与Al2O3-Cr2O3砖反应形成少量的Fe(Cr,Al)2O4尖晶石存在于挂渣层;但熔渣与Al2O3–Cr2O3–Zr O2–Si O2颗粒及刚玉颗粒分别反应生成CAS2与玻璃相造成Al2O3-Cr2O3砖结构破坏。2.与Al2O3-Cr2O3砖相比,Si C浇注料和Mg Al2O4-Cr2O3浇注料均具有优异的抗渣性能;两种浇注料经过不同温度处理后力学性能变化明显,Si C浇注料由于结合剂为硅溶胶,110℃烘后强度低,中高温阶段Si C浇注料强度提升明显,1500℃下,Si O与CO反应原位形成Si C晶须,显著提高了断裂能,比Mg Al2O4-Cr2O3浇注料显示出更高的抗热应力损伤因子,1700℃处理的Si C浇注料原位形成大量Si C晶须,显著提高了强度。3.α-Al2O3微粉能够促进硅溶胶的凝结与硬化,增大硅溶胶结合Si C浇注料110℃烘干后的强度,然而α-Al2O3微粉过多,试样凝结太快,流动性变差,显气孔率增加;添加2 wt%α-Al2O3微粉和3 wt%Si O2微粉的试样具有较高的烘后强度。CA6骨料中含有少量的α-Al2O3,以CA6骨料取代Si C颗粒制备的CA6-Si C浇注料具有较高的烘后强度。4.CA6在1000℃的高温湿空气条件下稳定性较好,而Si C和Cr2O3会与高温湿空气发生反应。Si C在高温湿空气条件下首先被O2氧化形成Si O2,随着湿空气持续腐蚀,硅氧网络结构(Si-O-Si)与水蒸气反应形成硅醇基(Si-OH)造成Si O2保护膜破坏,形成不规则多孔状Si O2膜;Cr2O3高温条件下与H2O(g)和O2(g)反应形成气相产物Cr O2(OH)2(g)。相比于Si C浇注料和Mg Al2O4-Cr2O3浇注料,CA6-Si C浇注料具有较好的抗高温湿空气腐蚀性能。5.添加Zr/Ti能够提高Si C浇注料的高温抗氧化性能。1500℃下,Zr/Ti优先氧化产生体积膨胀,堵塞气孔,降低氧分压,促进生成Si C晶须与石墨化碳,减少Si C与C的损耗,使Si C浇注料达到自修复功能并显著增强材料高温力学性能。然而过量的金属会氧化产生较大体积膨胀,导致气孔率升高,反而不利于性能的提升,添加Zr/Ti 0.6 wt%能够显著提高Si C浇注料力学性能与抗氧化性能。1700℃下,Zr/Ti高温下优先氧化,能够降低基质部分氧化性气体分压,Zr氧化形成的Zr O2溶于Si O2中,形成Zr O2-Si O2混合液相,降低Si O2蒸气压,在试样表面形成Zr O2-Si O2保护层,使材料达到自保护的效果;Ti O2与Si O2相比不易挥发,且能够降低Si O2的粘度,提高液相流动性,有利于材料表面气孔的愈合,提高抗氧化性能与力学性能。6.SiC浇注料经过1600℃×15 min SPS处理后,颗粒通过Si O2玻璃相结合呈现连续网络结构,相比于热压烧结后的试样具有更高的致密化程度。在SPS过程中,Ti高温下熔化成液滴,试样中由硅微粉和硅溶胶引入的Si O2形成液体氧化物,Ti液和Si O2液相界面形成双电层,在SPS系统高频脉冲电场的作用下,界面由于电毛细原理出现表面张力梯度,导致Ti滴与Si O2液相向着相反方向迁移,最终使Ti液滴均匀涂覆在Si C颗粒表面。且Ti与Si及炭黑发生反应生成片状Ti3Si C2(MAX相),最终生成片状Ti3Si C2包裹Si C颗粒的结构,显著提高了试样的力学性能;经过SPS的试样由于致密化程度较高,在1500℃下具有更加优异的抗氧化性能;在1700℃下,Ti3Si C2包裹Si C颗粒的试样经过氧化后在试样表面形成Ti O2扎钉在玻璃态Si O2中的结构,表面保护层致密,具有优异的抗氧化性能。