Microstructure and thermomechanical behaviour of a SiC-based refractory

• Autorzy: Michel C. , Cutard T. , Lamesle P.

Warianty tytułu

PL

Mikrostruktura i zachowanie termomechaniczne materiału ogniotrwałego opartego na SiC

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Refractory materials are commonly used in waste-to-energy plants. They compose part of the wall covering the combustion chamber and protect metallic cooling tubes. Refractories are subjected to severe thermal gradients, to corrosion and to high temperature levels. They also collect part of the thermal energy generated by the waste combustion in order to allow electrical energy production. Such materials must couple a high thermal conductivity and high thermomechanical properties to cope with running solicitations. Nitride-bonded silicon carbides (NBSC) are porous materials with high thermal and mechanical properties. Microstructures and thermomechanical properties are investigated in order to understand their behaviour in waste-to-energy plants. Specific properties come from their processing route. The resulting microstructure deals with SiC grains bonded with silicon nitride phases. Such bonding phases are characterised by a high complexity degree. Microstructural properties of as-received NBSC refractory are studied. They deal with the crystalline phase identification (by X-ray diffraction) and phase morphology (by SEM). As the material is used at high temperature in oxidizing atmospheres, the oxidation occurs. Long-term oxidation effects are investigated. Phase and morphological changes are considered. Kinetic aspects of oxidation are taken into account, too. Thermomechanical properties are also studied. In the 20-1200°C temperature range, NBSC refractory exhibits a linear elastic behaviour. The effect of long-term oxidation on the thermomechanical behaviour is also investigated.

PL

Materiały ogniotrwałe są powszechnie wykorzystywane w instalacjach pozyskujących energię ze śmieci. Składają się one na część ściany pokrywającej komorę spalania i chronią metalowe rury chłodzące. Materiały ogniotrwałe poddawane są ostrym gradientom termicznym, działaniu korozyjnemu i wysokim temperaturom. Gromadzą również część energii cieplnej wytworzonej przy spalaniu śmieci w celu wyprodukowania energii elektrycznej. Materiały takie muszą łączyć w sobie wysoką przewodność cieplną z wysokimi właściwościami termomechanicznymi, aby poradzić sobie z wymaganiami eksploatacyjnymi. Węgliki krzemu wiązane azotkiem (NBSC) to materiały porowate o wysokich właściwościach termicznych i mechanicznych. Mikrostruktury i właściwości termomechaniczne badane są po to, aby poznać ich zachowanie w instalacjach do pozyskiwania energii ze spalania śmieci. Właściwości specyficzne pochodzą ze sposobu otrzymywania. Powstałe mikrostruktury złożone są z ziaren SiC powiązanych za pomocą faz azotku krzemu. Takie fazy wiążące charakteryzują się wysokim stopniem złożoności. Badane są właściwości mikrostrukturalne świeżo otrzymanego materiału ogniotrwałego NBSC. Dotyczą one identyfikacji faz krystalicznych (za pomocą dyfrakcji promieniowania X) i morfologii fazy (za pomocą SEM). Utlenianie występuje wtedy, gdy materiał stosowany jest przy wysokiej temperaturze w atmosferach utleniających Badane są skutki utleniania występującego w długim okresie czasu. Rozważane są zmiany fazowe i morfologiczne. Uwzględnia się również aspekty kinetyczne. Badane są właściwości termomechaniczne. W zakresie temperatury 20-1200°C, materiał NBSC wykazuje liniowe zachowanie sprężyste. Badany jest również wpływ długotrwałego utleniania na zachowanie termomechaniczne.

Słowa kluczowe

EN

nitride-bonded silicon carbide; refractory; microstructure; oxidation; thermomechanical behaviour

PL

węglik krzemu wiązany azotkiem; materiał ogniotrwały; mikrostruktura; utlenianie; zachowanie termomechaniczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 63, nr 1
• Strony: 4--10
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Michel C.

autor

Cutard T.

autor

Lamesle P.

• Universite de Toulouse; INSA, UPS, Mines Albi, ISAE; Institut Clement Ader; Campus Jarlard, F-81013 Albi cedex 09, France,

Bibliografia

• [1] Skybakmoen E., Kvello J., Darell O., Gudbrandsen H.: „Test and analysis of nitride bonded SiC sidelining materials: typical properties analysed 1997-2007”, Light Met., (2008), 943-948.
• [2] Gao W., Hendry A., Holling G.: „Oxidation of nitride bonded silicon carbide in wet air atmosphere”, Brit. Ceram. Trans., 101, (2002), 231-236.
• [3] Riley F.L.: „Silicon nitride and related materials”, J. Am. Ceram. Soc., 83, (2000), 245-265.
• [4] Ziegler G., Heinrich J., Wötting G.: „Relationships between processing, microstructure and properties of dense and reaction-bonded silicon nitride”, J. Mater. Sci., 22, (1987), 3041-3086.
• [5] Reddy N.K.: „Reaction-bonded silicon carbide refractories”, Mater. Chem. Phys., 76, (2002), 78-81.
• [6] Peng D.Y., Li J.H., Liu S.Z., Yu Y., Wang Y.L., Wang Z.T.: „Properties and application of silicon nitride bonded silicon carbide”, in UNITECR’89 Proceedings, Vol. 1, edited by L. J. Trostel. (American Ceramic Society), Columbus, OH, (1989), 101-108.
• [7] Nourbakhsh A.A., Golestani-Fard F., Rezaie H.R.: „Influence of additives on microstructural changes in nitride bonded SiC refractories", J. Eur. Ceram. Soc, 26, (2006), 1737-1741.
• [8] Kara M., Kerber A.: „Manufacture and properties of nitride bonded silicon-carbide materials", Ceram. Forum Int., 72, (1995), 325-328.
• [9] Zymla V., Zymla A., Guillot J.B.: „Kinetics and mechanism of nitridation of silicon powder in mixture with silicon carbide", Silicates Ind., 69, (2004), 249-254.
• [10] LopezH.F., Phoomiphakdeephan W.: „Influence of porosiły on the high temperature oxidation of a SiC-reinforced Si3N4 ceramic composite", J. Mater. Sci., 35, (2000), 5995-6004.
• [11] Zymla A., Zymla V., Pawlik T., Sopicka-Lizer M., Guillot J.-B.: „Oxidation in airof nitride bonded silicon carbide ceramic", Rev. Metali., 5, (2004), 427-439.
• [12] Komac M.: „The investigation of high-temperature strength of SiC based refractories", Ceram. Int., 7, (1981), 103-105.
• [13] Rakshit, J., Das P.K.: „Effect of microstructure on the high temperaturę strength of nitride bonded silicon carbide composite", Buli. Mat. Sci., 25, (2002), 387-390.
• [14] Woo, S.K., Han I.S., Ri G.-G., Park S.-C, Cho K., Jang B.-K.: „Hot-corrosion behavior of silicon nitride-bonded silicon carbide", J. Ceram. Soc. Jap., 109, (2001), 23-28.
• [15] Holling G.E.: „Mechanisms that control the kinematics of oxidation of porous bonded silicon carbide", Key Eng. Mater., (1996), 233-239.
• [16] Rettore R.P., Brito M.A.M.: „Mechanical properties of silicon-nitride bonded silicon-carbide refractory and its relation microstructure", in Silicon Nitride 93. Trans Tech Pub., (1994), 553-557.
• [17] Reddy N.K., Mukerji J.: „Comparative study of silicon nitride bonded silicon carbide with conventional silicon carbide refractories", Ind. Refrac. MakersAss. J., 21, (1988), 3-6.
• [18] Huang J.-L, Chen S.-W., Lu H.-H., Chan W.-H.: „Role of porę structure in the nitridation of silicon/silicon nitride compacts", Ceram. Int., 22, (1996), 27-31.
• [19] Nazaret F., Marzagui H., Cutard T: „Influence of the mechanical behaviour specificities of damaged refractory castables on the Young's modulus determination", J. Eur. Ceram. Soc, 26, (2006), 1429-1438.