氮化硅

随着钢铁冶炼等高温技术的发展，耐火材料及原料的开发及研究迫在眉睫，合成原料作为一种具有发展前途的耐火材料得到越来越多的应用。氮化硅铁(Fe-Si3N4)是近些年来出现的一种新型合成原料，它是以FeSi75铁合金为原料，利用氮化技术和高温合成工艺来制备的。氮化硅铁因含有Si3N4相，而具有Si3N4的一些优异性能，如高的耐火度，良好的抗侵蚀性，高的力学强度，良好的抗热震性，较低的热膨胀率，较高的抗氧化性等一系列优点;又因其含有Fe塑性相而具有良好的烧结性能。同时，相对于氮化硅而言，氮化硅铁价格更低廉，也便于进行工业化推广和生产，因此已被用为耐火材料的原料、高温结合相和高温结构材料，现已广泛应用于高炉铁沟浇注料和炮泥中。近年来，对氮化硅铁材料及其在耐火材料中应用的研究越来越多，也取得了一些成果。在本文中，介绍了氮化硅铁的合成、特性及其在浇注料、炮泥和复合耐火材料中应用的研究进展，并对其进行了前景展望。目前氮化硅铁主要用于浇注料、炮泥和复合耐火材料等耐火材料中。1、浇注料氮化硅铁在浇注料中的应用主要侧重于Al2O3-SiC-C铁沟浇注料、镁质浇注料和高铝浇注料等。1.1Al2O3-SiC-C铁沟浇注料Al2O3-SiC-C质浇注料具有良好的抗渣侵蚀性和抗冲刷性能，在高炉出铁沟的主沟、撇渣器和支沟等部位得到了广泛应用。但由于冶炼技术的发展，高炉利用系数的不断提高和高炉长寿化的要求，Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料寿命的进一步提高也刻不容缓。而现阶段的Al2O3-Si-C质铁沟浇注料在周期性熔渣、熔铁的化学侵蚀、热冲击和渣、铁的冲刷作用下容易出现脱落;同时铁沟浇注料中碳化硅和碳质材料在高温下的氧化也会造成材料的结构破坏，这些均会导致铁沟浇注料的损毁。氮化硅铁中的Si3N4具有不与渣和铁完全润湿的优点，可以改善铁沟浇注料的抗侵蚀性;Si3N4的氧化产物会在试样表面形成SiO2保护膜，阻碍了材料的进一步氧化，增强其抗氧化性能;金属塑性相Fe具有助烧结作用，可以改善浇注料的力学性能。陈俊红等比较了8%(w)的氮化硅和氮化硅铁对Al2O3-SiC-C铁沟浇注料在1500℃时的防氧化行为。结果发现，高温氧化气氛下，表面氮化硅铁中的Si3N4首先氧化生成SiO2，构成氧化层的主体;随着铁相材料的氧化，形成的氧化铁(Fe，)降低了氧化层的熔点及熔体的黏度，增进了熔体在浇注料表面上的润湿性和流动性，形成了覆盖于浇注料表面的氧化层而阻止了炭素材料的氧化，使其具有比纯Si3N4更好的抗氧化性能。而浇注料内部的Fe并不是以氧化铁(FexO)的形式存在，对高温性能不会有害。刘斌的研究也得出同样的结论，并且发现氮化硅铁中的Si3N4在高温下氧化生成的N2和炭素材料氧化生成的CO会堵塞材料的内部气孔，从而有效地防止了进一步氧化。有研究表明：添加5%(w)的氮化硅铁可以提高Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料的高温抗折强度、高温抗氧化性能。邢春山发现，随着氮化硅铁加入量的增加，铁沟浇注料的抗渣侵蚀性能略有提高。而发现氮化硅铁加入量为9%(w)时，抗渣性能好;当氮化硅铁量过大时，反应过程中大量游离铁的出现会造成材料内部出现大量的低共熔点物，从而降低浇注料的抗渣侵蚀性能。1.2镁质浇注料镁质浇注料具有耐火度和荷重软化温度高，不污染钢水，抗碱性渣侵蚀性好等特点，在炼钢炉及其钢包等热工设备上应用较多。涂军波等以二氧化硅微粉为结合剂，研究了不同氮化硅铁细粉加入量对镁质浇注料常温物理性能和高温力学性能的影响。发现在氮化硅铁加入量为3%(w)时，1200和1500℃烧后的常温强度以及1400℃的高温抗折强度均达到大，这是由于氮化硅铁加热过程中氧化生成的SiO2与镁砂生成了镁橄榄石，增加了材料的强度，铁相物质与氧化镁固溶促进了材料的烧结。为了解决加入氮化硅铁后镁质浇注料不好烧结的问题，涂军波等又研究了B4C加入量对镁质浇注料力学性能的影响，结果表明，B4C的加入一方面促进了烧结，提高了试样中高温处理后的强度;但另一方面B4C在烧结过程中氧化产生液相，降低了颗粒之间的直接结合程度，使得试样的高温抗折强度下降。1.3高铝浇注料高铝浇注料具有力学性能好、抗渗透、耐侵蚀、抗冲击等优异性能，广泛用于电站、锅炉、熔铸炉、加热炉、均热炉、热处理炉和感应炉等炉衬的不同部位。高杰等以高铝矾土熟料为主要原料，以纯铝酸钙水泥为结合剂，研究了氮化硅铁加入量对熔铝炉用高铝质浇注料性能的影响。结果表明，随着氮化硅铁加入量的增加，因氮化硅铁氧化生成的SiO2与氧化铝反应生成莫来石，增加了烧后试样的常温强度;然而氮化硅铁的部分氧化会造成基质中出现孔洞，增加了熔渣对试样的渗透。当氮化硅铁加入量为5%(w)时，坩埚试样铝液渗透比较严重。

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