氮化硅铁在耐火材料中的应用
发布日期： 2021-01-11 08:43:45 阅读量（633） 作者：目前氮化硅铁主要用作高炉出铁口炮泥、出铁沟等炭系耐火材料中。由于Fe-Si3N4具有热膨胀系数小、抗热震性好及不易被熔渣渗透等特点，也被用于合成复合材料、镁质浇注料、不烧无铬耐火材料等。
1、在Al2O3-SiC-C系耐火材料中的应用
1.1在Al2O3-SiC-C质炮泥中的应用
试验和工业应用表明：氮化硅铁不仅可以改善炮泥的物理性能、高温强度，而且对炮泥的开口性能、抗侵蚀冲刷性能等应用性能的提高具有很好的效果。近年来，全国重点大型钢铁企业2000m3以上高炉堵铁口炮泥基本上都使用氮化硅铁。添加氮化硅铁的炮泥很好地满足了大型高炉的需要，使高炉出铁次数由18次普遍降低到12次，最低降到6次。炮泥的消耗量由每吨铁1.2kg降低到0.5kg。
但是氮化硅铁在炮泥中的添加达到一定量以后，炮泥的综合性能提高不明显，因此，应控制好氮化硅铁加入量。有研究认为，氮化硅铁加入量控制在10%~20%(w)时，炮泥综合性能最好。
关于氮化硅铁在高炉炮泥中作用机制的研究有不少报道。文献中对氮化硅铁在高炉出铁口用炮泥料中的性状进行了研究。结果发现：在1250℃开始放出队;1300℃以上时，铁常常发生硅铁化;1400~1500℃时反应剧烈，放出大量气体，基质中生成了SiC和AlN。分析认为，氮化硅铁在炮泥中发生的反应如下：
9Fe+Si3N4→3Fe3Si+2N2，(1)
3Fe+Si3N4+2C→Fe3Si+2SiC+2N2，(2)
9Fe+Si3N4+Al2O3+3C→2AlN+3Fe3Si+3CO+N2。(3)
可见，在炮泥中加入氮化硅铁，高温下在基质中生成SiC和AlN，增强了基质，同时产生大量气体，可以提高炮泥的气孔率，改善炮泥的开口性能和透气性能，产生的气体可以减少与铁水接触界面的摩擦，防止炉渣侵蚀。
陈俊红等和宋文等也证实：氮化硅铁-碳体系中高温下主要发生氮化硅向碳化硅的转变，Fe对Si3N4向SiC转化具有明显的促进作用，是由于SiC-C复相材料的形成而强化了高炉炮泥的强度及抗熔渣侵蚀性能，使用性能大大提高。亓华涛的研究认为，高温下Si3N4同金属Fe反应生成的Fe3Si增加液相量，不仅促进烧结，而且促进α-Si3N4向β-Si3N4转变，形成长柱状晶粒;另外，Si3N4同C反应生成SiC，大量Si3N4和SiC彼此交叉构成网络结构，提高了炮泥的高温强度。然而，徐国涛等则认为1300℃以上，氮化硅铁并不一定发生硅铁化，其认为氮化硅铁首先分解为氮化硅与Fe，Fe容易氧化形成硅铁的氧化物固溶体，而分解的氮化硅也可能发生氧化生成氮氧化合物，产生N2，可以避免炭素被氧化，也可促进烧结过程中生成微小气孔，有利于改善炮泥的透气性能和开口性能。
1.2在Al2O3-SiC-C质铁沟料中的应用
将少量Fe-Si3N4加入到Al2O3-SiC-C质铁沟料中，可改善材料的抗氧化性，提高材料的高温强度，因而极大地提高了高炉出铁沟的通铁量。邓小玲等和陈俊红等研究发现，氮化硅铁可以显著改善Al2O3-SiC-C质出铁沟浇注料的抗氧化性，而且随着氮化硅铁加入量的增加，抗氧化能力增强。其抗氧化机制为：在高温氧化气氛下，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，形成的氧化铁不但降低了氧化层的熔点，而且降低了熔体的黏度，增进熔体在材料表面上的润湿性及流动性，形成覆盖于材料表面的氧化层而阻止炭素氧化，使其具有比纯Si3N4更好的抗氧化性能。但是加入氮化硅铁，会使浇注料的加水量增加，常温性能指标有所降低，因此要控制氮化硅铁的加入量，以保证具有足够的施工性能和脱模强度。
1.3在Al2O3-SiC-C砖中的应用
王跃等研究表明，在鱼雷车用Al2O3-SiC-C砖中加入氮化硅铁，提高了高温抗折强度，原因是加入氮化硅铁后，在高温下生成S2N2O，且随着氮化硅铁加入量的增多，Si2N20增多，高温抗折强度增大。
2、Fe-Si3N4-SiC复合材料
Si3N4-SiC材料具有良好的理化性能和高温性能，广泛用于高炉、铝电解槽等高温领域，具有很好的使用效果。与纯氮化硅相比，氮化硅铁具有更好的烧结性，可用作高温结合相。如张勇等以质量分数分别为90%和10%的工业SiC和硅铁粉为原料，外加2%(w)的黄糊精，经1380℃5h氮化烧成制备出Fe-Si3N4结合SiC复合材料，生成的物相除巧為、SiO2外，还含有少量硅铁(FeSi)和单质Fe。朱晓燕等以质量分数分别为12%和88%的FeSi粉和SiC为主要原料，通过直接氮化反应烧结，成功制备出Fe-Si3N4-SiC复合材料，其主要物相为SiC、α-Si3N4、β-Si3N4和Fe3Si，硅铁金属间化合物均呈直径小于10μm的类球状，均匀分布的硅铁金属间化合物可以作为金属塑性相。合成的Fe-Si3N4-SiC制品的常温耐压强度和高温抗折强度均优于Si3N4-SiC材料。Fe-Si3N4-SiC复合材料不仅含有高温增强相SiC和氮化硅，还含有金属塑性相(Fe、FeSi或Fe3Si)，可改善材料的抗热震性，该材料有望在高温领域有良好的应用前景。
3、在其他耐火材料中的应用
氮化硅铁含有氮化硅和Fe相，具有高温性能好，热膨胀系数小，抗热震性好以及不被熔渣渗透等一系列优异性能，也已被用到其他耐火材料中。北京科技大学利用氮化硅铁含有高温增强相氮化硅和金属塑性相Fe，以刚玉、尖晶石为原料，将氮化硅铁以细粉形式添加，根据过渡塑性理论制备出低成本的抗氧化、抗侵蚀性好的无铬不烧耐火材料。该耐火材料具有优良的物理性能，良好的抗氧化性和钢水侵蚀性，可用来代替镁铬砖用于RH精炼炉。涂军波等将一定量的氮化硅铁引入到镁质浇注料中，改善了镁质浇注料的中高温处理后的强度以及热态抗折强度，其认为这是因为氮化硅铁在加热过程能部分氧化成SiO2，进而形成纤维状的镁橄榄石，增大强度;铁相物质能和方镁石固溶，促进烧结。高杰等将氮化硅铁引入到高铝质浇注料中制备高热震性和抗侵蚀性好的高铝浇注料，期望可以代替用于与铝液接触的部位(要求具有高的化学稳定性和良好的抗热震性)的高铝砖。结果发现，加入氮化硅铁后，干燥和烧后材料的显气孔率降低，体积密度、强度增大，虽然熔渣对试样的渗透增大，但是熔渣对试样的侵蚀减轻。
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