氮化硅鐵在耐火材料中的應用

? ? ? 目前氮化硅鐵主要用作高爐出鐵口炮泥、出鐵溝等炭系耐火材料中。由于Fe-Si₃N₄具有熱膨脹系數小、抗熱震性好及不易被熔渣滲透等特點(diǎn)，也被用于合成復合材料、鎂質(zhì)澆注料、不燒無(wú)鉻耐火材料等。

1、在Al₂O₃-SiC-C系耐火材料中的應用

（1）在A(yíng)l₂O₃-SiC-C質(zhì)炮泥中的應用

? ? ? ?試驗和工業(yè)應用表明：氮化硅鐵不僅可以改善炮泥的物理性能、高溫強度，而且對炮泥的開(kāi)口性能、抗侵蝕沖刷性能等。

? ? ? ?應用性能的提高具有很好的效果。近年來(lái)，全國重點(diǎn)大型鋼鐵企業(yè)2000m³以上高爐堵鐵口炮泥基本上都使用氮化硅鐵。添加氮化硅鐵的炮泥很好地滿(mǎn)足了大型高爐的需要，使高爐出鐵次數由18次普遍降低到12次，最低降到6次。炮泥的消耗量由每噸鐵1.2kg降低到0.5kg。

? ? ? ?但是氮化硅鐵在炮泥中的添加達到一定量以后，炮泥的綜合性能提高不明顯，因此，應控制好氮化硅鐵加入量。有研究認為，氮化硅鐵加入量控制在10%~20%(w)時(shí)，炮泥綜合性能最好。

? ? ? ?關(guān)于氮化硅鐵在高爐炮泥中作用機制的研究有不少報道。文獻中對氮化硅鐵在高爐出鐵口用炮泥料中的性狀進(jìn)行了研究。結果發(fā)現：在1250℃開(kāi)始放出隊;1300℃以上時(shí)，鐵常常發(fā)生硅鐵化;1400~1500℃時(shí)反應劇烈，放出大量氣體，基質(zhì)中生成了SiC和AlN。分析認為，氮化硅鐵在炮泥中發(fā)生的反應如下：

9Fe+Si₃N₄→3Fe₃Si+2N_2??(1)

3Fe+Si₃N₄+2C→Fe₃Si+2SiC+2N_2??(2)

9Fe+Si₃N₄+Al₂O₃+3C→2AlN+3Fe₃Si+3CO+N_2??(3)

? ? ? ?可見(jiàn)，在炮泥中加入氮化硅鐵，高溫下在基質(zhì)中生成SiC和AlN，增強了基質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生大量氣體，可以提高炮泥的氣孔率，改善炮泥的開(kāi)口性能和透氣性能，產(chǎn)生的氣體可以減少與鐵水接觸界面的摩擦，防止爐渣侵蝕。

? ? ? ?氮化硅鐵-碳體系中高溫下主要發(fā)生氮化硅向碳化硅的轉變，Fe對Si₃N₄向SiC轉化具有明顯的促進(jìn)作用，是由于SiC-C復相材料的形成而強化了高爐炮泥的強度及抗熔渣侵蝕性能，使用性能大大提高。研究認為，高溫下Si₃N₄同金屬Fe反應生成的Fe₃Si增加液相量，不僅促進(jìn)燒結，而且促進(jìn)α-Si₃N₄向β-Si₃N₄轉變，形成長(cháng)柱狀晶粒;另外，Si₃N₄同C反應生成SiC，大量Si₃N₄和SiC彼此交叉構成網(wǎng)絡(luò )結構，提高了炮泥的高溫強度。但也有人認為1300℃以上，氮化硅鐵并不一定發(fā)生硅鐵化，其認為氮化硅鐵首先分解為氮化硅與Fe，Fe容易氧化形成硅鐵的氧化物固溶體，而分解的氮化硅也可能發(fā)生氧化生成氮氧化合物，產(chǎn)生N₂，可以避免炭素被氧化，也可促進(jìn)燒結過(guò)程中生成微小氣孔，有利于改善炮泥的透氣性能和開(kāi)口性能。

（2）在A(yíng)l₂O₃-SiC-C質(zhì)鐵溝料中的應用

? ? ? ?將少量Fe-Si₃N₄加入到Al₂O₃-SiC-C質(zhì)鐵溝料中，可改善材料的抗氧化性，提高材料的高溫強度，因而極大地提高了高爐出鐵溝的通鐵量。研究發(fā)現，氮化硅鐵可以顯著(zhù)改善Al₂O₃-SiC-C質(zhì)出鐵溝澆注料的抗氧化性，而且隨著(zhù)氮化硅鐵加入量的增加，抗氧化能力增強。其抗氧化機制為：在高溫氧化氣氛下，表面氮化硅鐵中的Si₃N₄首先氧化生成SiO₂，構成氧化層的主體;隨著(zhù)鐵相材料的氧化，形成的氧化鐵不但降低了氧化層的熔點(diǎn)，而且降低了熔體的黏度，增進(jìn)熔體在材料表面上的潤濕性及流動(dòng)性，形成覆蓋于材料表面的氧化層而阻止炭素氧化，使其具有比純Si₃N₄更好的抗氧化性能。但是加入氮化硅鐵，會(huì )使澆注料的加水量增加，常溫性能指標有所降低，因此要控制氮化硅鐵的加入量，以保證具有足夠的施工性能和脫模強度。

（3）在A(yíng)l₂O₃-SiC-C磚中的應用

? ? ? ?在魚(yú)雷車(chē)用Al₂O₃-SiC-C磚中加入氮化硅鐵，提高了高溫抗折強度，原因是加入氮化硅鐵后，在高溫下生成S₂N₂O，且隨著(zhù)氮化硅鐵加入量的增多，Si₂N₂0增多，高溫抗折強度增大。

2、Fe-Si₃N₄-SiC復合材料

? ? ? ?Si₃N₄-SiC材料具有良好的理化性能和高溫性能，廣泛用于高爐、鋁電解槽等高溫領(lǐng)域，具有很好的使用效果。與純氮化硅相比，氮化硅鐵具有更好的燒結性，可用作高溫結合相。如以質(zhì)量分數分別為90%和10%的工業(yè)SiC和硅鐵粉為原料，外加2%(w)的黃糊精，經(jīng)1380℃5h氮化燒成制備出Fe-Si₃N₄結合SiC復合材料，生成的物相除巧為、SiO₂外，還含有少量硅鐵(FeSi)和單質(zhì)Fe。以質(zhì)量分數分別為12%和88%的FeSi粉和SiC為主要原料，通過(guò)直接氮化反應燒結，成功制備出Fe-Si₃N₄-SiC復合材料，其主要物相為SiC、α-Si₃N₄、β-Si₃N₄和Fe3Si，硅鐵金屬間化合物均呈直徑小于10μm的類(lèi)球狀，均勻分布的硅鐵金屬間化合物可以作為金屬塑性相。合成的Fe-Si₃N₄-SiC制品的常溫耐壓強度和高溫抗折強度均優(yōu)于Si₃N₄-SiC材料。Fe-Si₃N₄-SiC復合材料不僅含有高溫增強相SiC和氮化硅，還含有金屬塑性相(Fe、FeSi或Fe3Si)，可改善材料的抗熱震性，該材料有望在高溫領(lǐng)域有良好的應用前景。

3、在其他耐火材料中的應用

? ? ? ?氮化硅鐵含有氮化硅和Fe相，具有高溫性能好，熱膨脹系數小，抗熱震性好以及不被熔渣滲透等一系列優(yōu)異性能，也已被用到其他耐火材料中。北京科技大學(xué)利用氮化硅鐵含有高溫增強相氮化硅和金屬塑性相Fe，以剛玉、尖晶石為原料，將碳化硅鐵以細粉形式添加，根據過(guò)渡塑性理論制備出低成本的抗氧化、抗侵蝕性好的無(wú)鉻不燒耐火材料。該耐火材料具有優(yōu)良的物理性能，良好的抗氧化性和鋼水侵蝕性，可用來(lái)代替鎂鉻磚用于RH精煉爐。將一定量的氮化硅鐵引入到鎂質(zhì)澆注料中，改善了鎂質(zhì)澆注料的中高溫處理后的強度以及熱態(tài)抗折強度，這是因為氮化硅鐵在加熱過(guò)程能部分氧化成SiO₂，進(jìn)而形成纖維狀的鎂橄欖石，增大強度;鐵相物質(zhì)能和方鎂石固溶，促進(jìn)燒結。將氮化硅鐵引入到高鋁質(zhì)澆注料中制備高熱震性和抗侵蝕性好的高鋁澆注料，期望可以代替用于與鋁液接觸的部位(要求具有高的化學(xué)穩定性和良好的抗熱震性)的高鋁磚。結果發(fā)現，加入氮化硅鐵后，干燥和燒后材料的顯氣孔率降低，體積密度、強度增大，雖然熔渣對試樣的滲透增大，但是熔渣對試樣的侵蝕減輕。

? ? ? 鄭州真金公司致力于水泥、石灰、有色、鋼鐵、玻璃及化工行業(yè)耐火材料的研發(fā)研制、技術(shù)解決方案設計、施工及配套產(chǎn)品提供等一站式總包服務(wù)，是一家集產(chǎn)銷(xiāo)研出口一體化的高溫窯爐整體解決方案服務(wù)商。服務(wù)鏈貫穿前期咨詢(xún)、方案設計、研發(fā)生產(chǎn)、筑爐施工及安全生產(chǎn)等整個(gè)項目的生命周期，通過(guò)對各種牌號產(chǎn)品的優(yōu)化組合，滿(mǎn)足不同工藝要求，切實(shí)為客戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

?