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氮化硅的性能及其在耐火材料工业中的应用

发布日期: 2021-01-15 10:11:22    阅读量(291)    作者:

氮化硅陶瓷是一种人工合成的材料,其结构中硅原子和氮原子间的共价键力强,因此其具有高强度、高硬度、耐腐蚀、抗氧化、耐磨损,良好的抗热冲击等特点,被材料界认为是综合性能优良、可应用于高温领域的一种工程陶瓷材料。

氮化硅的研究从20世纪50年代开始,到目前己经将近70年了。最近三十年间,氮化硅陶瓷的犮展迅速,在其基础结构,相关粉末制备,制品烧结等方面进行了大量的研究,取得了瞩目的成绩。

氮化硅陶瓷具有良好的综合性能,具有广阔的应用前景,长期以来,材料工作者一直致力于幵发氮化桂陶瓷的优异性能,不断的开拓其应用领域。随着新技术的发展和理论的不断深入,氮化硅陶瓷作为一种性能优异的工程材料,必将得到更加迅速的发展和广泛的应用。

1、氮化硅的性能

氮化硅陶瓷具有很高的断裂韧性和常温强度,即使在高温下,其强度也不会降低很多,高温稳定性良好。其主要的各项性能如下:

(1)氮化硅材料线膨胀系数较低,导热性良好,具有优良的抗热震性;

(2)氮化硅的硬度非常大,为9〜9.5,仅次于金刚石、BN等少数超硬物质;

(3)氮化硅的摩擦系数小,本身具有自润滑性,耐磨损;

(4)氮化硅具有良好的机械性能,热压和反应烧结的样品都能获得较高的抗弯强度,甚至能高达上千兆帕。其高温稳定性好,高温下仍然具有比较高的抗弯强度,高温蠕变很小;

(5)氮化硅材料具有良好的绝缘性能,是高温下良好的绝缘体材料;

(6)氮化硅的化学性质非常稳定,不受到除氢氟酸外所有无机酸的侵蚀,在某些碱中,也能稳定的存在;

(7)氮化硅陶瓷在氧化时,表面容易形成一层致密的二氧化硅膜,阻碍其继续氧化。它耐氧化的温度可达1400℃,在还原气氛中最高可使用到1870℃。

(8)氮化硅与高温的金属溶液和熔融渣不润湿,可以作为高温金属溶液过滤器和优秀的耐熔渣侵蚀材料。

2、氮化硅在耐火材料工业中的应用

氮化硅陶瓷由于具有高温强度高,耐磨性和耐蚀性好等优异的高温性能,被认为是很有发展前景的高温结构材料。强共价键及高温下的低扩散系数,导致氮化硅陶瓷的制造必须借助于高温高压及烧结剂,否则很难生产出高质量的氮化硅材料。这些生产成本及设备的限制,冶金行业很难接受,所以,在耐火材料领域的研究起步较晚,研究也不深入,很多理论来源于陶瓷,没有太多的创新。目前,氮化硅在耐火材料中一般只是以结合相的形式存在,通过金属Si的氮化烧成,将刚玉或碳化硅等原料结合到一起,从而达到难烧结物相结合的目的。例如铝电解槽用氮化硅结合碳化硅材料等等都是以氮化生成的Si3N4作为结合相,Si3N4也常常以粉料的形式引入到耐火材料中。

(1)在炼铁耐火材料中的应用

近些年来,大型高炉所用的刚玉-碳化硅-氮化硅-碳制品有了长足的发展。而氮化硅、氧氮化硅或塞隆结合的碳化硅耐火制品在大型高炉的中段部位、焦炉承重部位己经得到了大规模的应用。另外,刚玉-碳化硅-氮化硅-碳质的耐火材料在鱼雷车的应用也越来越多,其抗侵蚀性良好,耐磨损,抗冲刷,鱼雷车内衬耐火材料的使用寿命大大提高。

目前,国外己有约61%的高炉采用含Si3N4的耐火材料,特别是炉缸直径为12〜15m的大型高炉采用它的己有68%。据统计,在过去10年里,在127座高炉里砌筑了3500吨以上的此类优质制品。多数高炉的使用量为每座270〜800吨,使用部位从风口、炉腹、炉腰到炉身中下部,而高炉中段主要推广使用氮化硅结合制品。日本神户钢铁公司古川钢铁厂,在混铁车上尝试添加少量的纯β-Si3N4到Al2O3-SiC-C砖中,实验证明,其抗渣蚀性和抗氧化性都得到明显改善。

(2)在炼钢耐火材料中的应用

近几年来,氮化硅在国内外先后应用于钢包底部的滑板材料中。在滑板中添加氮化硅质材料,提高了滑板的耐磨性、抗冲刷性和使用寿命,降低了钢包精炼的吨钢成本;

(3)在铝、铜、锌等有色金属冶炼耐火材料中的应用

氮化硅陶瓷在高温下与金属溶液不润湿,所以其可用于有色金属冶炼过程的高温部件,如测温热电偶套管,冶炼炉炉衬及各种容器内衬、坩埚等。氮化硅陶瓷制品抗热震性好,可以在高温下,或者在高温-低温循环中稳定的长期使用。

(4)在窑具材料中的应用

陶瓷棚板即是以碳化硅为颗粒原料,金属Si为细粉,在高温氮气气氛下进行反应烧结制备的氮化硅结合碳化硅材料,使材料的性能得到大幅度地提高。同粘土结合的碳化硅棚板相比,材料的高温性能得到大幅度提高,并且解决了粘土结合碳化硅拥板使用时因碳化硅的氧化导致棚板鼓胀破坏的问题。

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