生活垃圾焚燒發電成為當前世界各國對有機質垃圾進行無害化處理越來越廣泛的技術手段。垃圾焚燒爐是行業的核心設備當前最主流的爐型是爐排式焚燒爐，發達國家主要采用氮化物結合SiC耐火材料，我國目前多采用碳化硅澆注料。爐排式焚燒爐損毀最嚴重區域的工作溫度一般為 800~1100℃，因生活垃圾的含水量高，高溫蒸汽氧化是SiC質耐火材料損毀的重要因素。目前，Si3N4結合SiC材料抗高溫蒸汽下的氧化已有研究報道，碳化硅澆注料抗高溫蒸汽氧化性能研究鮮有報道，有必要加強這方面的研究。
1 試 驗
試驗用主要原料為：工業SiC顆粒，w(SiC）≥98%，粒度0-0.5、0.5-1.5、1.5-3mm；SiC細粉，w（SiC）≥97.5%粒度≤0.1mm；SiO2微粉，w(SiO2)≥95%粒度≤2 μm）Al2O3微粉，w(Al2O3)≥98.5%，粒度≤5μm；鋁酸鈣水泥 Secar71，w(Al2O3)=69.3%，w(CaO)=29.7%。按表 1進行配料，加入適量的外加劑和水進行混料，振動澆注成型為160mm×40mm×40mm 的試樣，而后將其在室溫養護 24h、110℃干燥處理10h、空氣氣氛下1000℃煅燒5h 制得實驗用試樣。該試樣的物理性能如下：體積密度2.68 g·cm-3，顯氣孔率 14.1，耐壓強度 176 MPa，常溫抗折強度 16.2 MPa。
切取40mm×40mm×75mm試樣，參照ASTM-C863方法，在1000℃、蒸汽條件下（蒸汽流量根據爐膛容積確定，每小時32 kg H2O(g) /m3連續通入），對試樣分別進行了 50h、100h、150h、200h、250h、300h氧化試驗，檢測試樣氧化前后的體積、質量、體積密度、顯氣孔率及其變化，借助 XRD、SEM 分析試樣氧化前后的物相組成和顯微結構。
2 結果與討論
2.1 體積變化率及質量變化率
圖1給出了試樣的體積變化率和質量變化率隨氧化時間的變化關系，圖2為試樣體積密度和顯氣孔率隨氧化時間的變化關系。由圖 1、圖2可知，0-150h 氧化過程中，試樣體積和質量隨氧化時間增加而明顯增大，體積密度緩慢降低顯氣孔率基本不變；150-200h階段試樣體積、質量、體積密度和顯氣孔率基本保持不變；氧化時間由200h增至250h后試樣的質量、體積和顯氣孔率增大明顯，體積密度有較明顯的降低；氧化時間由 250h 增至 300h 后，試樣的質量和顯氣孔率增幅明顯減小，體積仍有較明顯增大、體積密度少量降低。
2.2 物相組成及顯微結構
表3給出了不同氧化時間試樣的物相組成分析結果，圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別是原始試樣、氧化150h和氧化300h試樣的XRD圖譜。原樣中，未發現CaO·Al2O3 (CA)和CaO·2Al2O3(CA2），氧化后150h后，出現新物相鈣長石（CaO·Al2O3·2SiO2，CAS2），方石英有較明顯的增加，而后增加氧化時間，物相組成變化不明顯。
圖4（a）、圖 4（b）表示了試樣氧化150h后的顯微結構，可見部分SiC顆粒和細粉邊緣不平滑，顯示氧化跡象SEM發現許多組成相近的區域（見圖中1、2、3），對這些區域進行能譜分析表明，Ca、Al、Si、O 峰明顯，區域3的分析結果為（x，%）：Ca 7.49 Al 14.12 Si 16.53 O 61.81，推測為CAS2。
圖 5(a)、圖(b)表示氧化300h后試樣的顯微結構，其特征與圖4基本一致，圖5中1、2、3、4 區域組成與圖4（a）中3相近，區域1邊緣“+”點能譜分析分析結果為（x，%）：CaO 11.31 Al2O3 65.30 SiO2 23.00 Fe2O3 0.11，SiO2/ CaO 約為2，推測圖5中的1、2、3、4 區域主要為CAS2。圖5（b）SiC顆粒邊緣“+”點能譜分析結果為（x,%）：Si 58.94，Al 0.18，O 7.75，C 33.57。表明 SiC 顆粒表面氧化后形成了一層氧化層，其組成為方石英或SiO2質玻璃相。
2.3 討論
本實驗中，試樣在1000℃、蒸汽條件下，僅其中SiC組分參與下列氧化反應：
SiC(s) + 2H2O(g) → SiO2(s) + 2H2 (g)
氧化產物為方石英或SiO2玻璃，根據 SiC 和 SiO2的分子量以及SiC、方石英、SiO2 玻璃的密度SiC的 3.21 g·cm-3，方石英的2.23 g·cm -3，SiO2玻璃的2.20 g·cm -3，SiC按上述反應產生的質量和體積變化的推算結果見表4。可見，試樣中每單位質量SiC與蒸汽發生氧化反應后，質量增加49.9%，體積增大約1.2 倍。
根據表4和試樣氧化實驗結果可計算試樣中SiC被氧化量及氧化產物的體積增加量，以100g澆注試樣為基準進行推算，實驗結果和計算結果見表5。
由表5可知，在0-150h 氧化階段，試樣中SiC顆粒或細粉不斷氧化，氧化時間增加，試樣質量和體積均不斷增大，顯氣孔率緩慢上升，試樣體積增加量與形成氧化產物的理論體積增加量較為相近，表明試樣中SiC 氧化帶來的膨脹對澆注料中顯氣孔的填充作用未體現，試樣體積的增加來源于試樣 SiC氧化產物的膨脹；在150-200h 氧化階段，質量增加很小，體積基本不變，試樣暫時呈惰性氧化特征，推測經150h氧化后的試樣中SiC表面已形成 SiO2 質保護層，阻止了蒸汽的滲透及后續氧化；在 200-250h 氧化階段，隨氧化時間的進一步延長，SiC氧化又繼續進行，試樣質量和體積均明顯增加,表明SiC表面形成的 SiO2質層遭到破壞，SiC的氧化加速進行，試樣的體積增加量高于SiC氧化產物的體積膨脹量，表明試樣內部可能還出現了開裂，導致體積膨脹；在250-300h 氧化階段，試樣質量增加很小，但體積膨脹顯著表明試樣中SiC表面形成的SiO2質暫時起到阻止蒸汽滲透及后續氧化的作用，試樣較明顯的體積膨脹應來源于試樣內部的開裂；若進一步延長氧化時間，試樣中SiC 表面形成的SiO2質保護層可能又會遭受破壞，試樣可能會重復前期200-250h 氧化階段的氧化特征。