氮化硅铁的合成与应用
发布日期： 2020-03-13 09:32:20 阅读量（339） 作者：刘梓明目前，氮化硅铁的合成主要是燃烧合成法。祝少军提出采用闪速燃烧法合成氮化硅铁。如图1，从反应器的上部加料口中投入硅铁合金粉原料，氮气自下而上，在重力的作用下粉体下降，而氮气气氛提供的浮力可减缓下降速度，在高温下使硅铁合金充分燃烧，燃烧后的产物堆积于反应器的底部。底部的反应产物在反应温度下可继续发育长大。
图1闪速燃供合成装置剖面图
1.压力计;2.加料口;3.上盖;4.电源导线;5.炉壳;5热电偶;7.氮气管道;8.进气管;9.盛料匣钵;10.下盖;11.保温材料;12.电热体;13.耐火材料外壁;14.出气管;15.耐火管;16.反应室;17.预热区;18.燃烧区;19.冷却区
闪速燃烧合成法采用FeSi75合金作为原料，在氮气气氛中闪速燃烧氮化而成，其主物相为ξ相(FeSi23)与单质金属Si。陈俊红认为，Si熔点较高，随着温度升高，ξ相先与金属Si相将分离，FeSi75的氧化过程是ξ相与金属Si相的分别氮化。闪速燃烧合成炉内的温度范围为1400-1600℃，Si相以气液态固态三种形态存在，通过反应(1)~(3)均可发生氮化。
大量氮化硅的生成产生大量的热，使体系温度升高，ξ相在1220℃融化，形成Fe-Si熔体。同时也伴随着从熔体中挥发出的Si蒸汽的氮化，Fe最终以Fe3Si的形式存在。
根据文献报道，闪速燃烧法制备氮化硅过程中，氮化硅的形成可能与微量氧气的参与有关。实际上，很多文献提到了微量氧气在硅粉或者硅铁软化硅的过程中形成SiO(g)，SiO(g)最终参与到形成氮化硅的反应中。
图2 1823K下Si-N-O化合物的稳定区域
如图2，根据热力学理论计算，只有将氧分压降低于10-20MPa以下时，Si才能直接氮化形成氮化硅。然而炉内开始氮化的气氛以及工业氧气不足以提供这样的低氧分压环境，环境中的氧分压为10-5MPa。因此，在硅直接氮化前，Si首先与氧气反应，产物落在SiO2的区域中，降低了氧分压。SiO2并不稳定，分解形成SiO(g)。当氧分压继续降低时，产物区落在Si2N2O中。随着养分压降低至10-20MPa以下时，硅与氮气才直接开始反应。而在此过程中，出现的SiO(g)也可参与氮化形成氮化硅，释放出的氧气进入到环境中，又开始重复氮化过程，是一个活化氧化的过程，最终得到氮化硅铁产物。
总体而言，以FeSi75合金作为原料氮化制备出的氮化硅铁，原料来源丰富，设备要求简单，并且可合理利用工业富余氮气。氮化硅铁属于廉价、易得、环境友好的工业原料，适合工业化大规模应用。
目前，氮化硅铁的应用目前主要集中在铁沟浇注料、无水炮泥和鱼雷车领域。研究表明，添加氮化硅铁可改善Al2O3-SiC铁沟浇注料的物理性能和抗渣性能;添加氮化硅铁可改善Al2O3-SiC-C无水炮泥的性能，制备出的无水炮泥具有较好的中温强度、开口性，可减少出铁次数。添加氮化硅铁的无水炮泥已经在国内2000m3的高炉中广泛应用，可将出铁次数从18次降低到12次甚至6次。因此，氮化硅铁具有广阔的应用前景。但是，目前关于采用氮化硅铁作为耐火材料中的复合物和添加物的研究有限。关于氮化硅铁在Al2O3体系耐火材料中的复合的研究，主要集中在Al2O3-SiC-C体系在1500℃以下的温度进行烧结制备出不定型耐火材料方面。
氮化硅铁可与刚玉的复合构成Fe3Si-Si3N4-Al2O3体系，形成金属-非氧化物-氧化物复合耐火材料体系;氮化硅铁中的Si3N4与Al2O3的复合，可构成有意义的Al-O-N以及Si-Al-O-N体系，原位形成AlON、SiAlON等高性能的化合物。AlON、SiAlON属于陶瓷领域性能优异的非氧化物，可弥补氧化物耐火材料的缺点，提高刚玉耐火材料的综合性能。此外，在结构陶瓷和耐火材料领域，Si3N4与Al2O3的复合多采用Y2O3、Nd2O3等稀有金属氧化物作为烧结助剂，或利用金属Al、Si在高温下活泼的反应属性，通过原位反应形成SiAlON实现复合，而关于利用Fe-Si合金促进Si3N4-Al2O3体系反应和烧结的研究非常有限。实际上，Fe-Si与Si3N4和Al2O3在较高的温度下可能存在非常复杂的反应与过程，Fe3Si-Si3N4-Al2O3体系材料的研究可为探究Fe-Si合金在陶瓷体系的作用提供参考。因此，将氮化硅铁复合到纯刚玉耐火材料中的研究，可拓展氮化硅铁的新的研究范围，丰富氮化硅铁的研究基础，并可能制备出性价比优异的耐火材料，具有十分重要的理论与实际意义。
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