氮化硅鐵在耐火材料中的應(yīng)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(shù)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(fù)合材料、鎂質(zhì)澆注料、不燒無鉻耐火材料等。

1、在Al2O3-SiC-C系耐火材料中的應(yīng)用

1.1在Al2O3-SiC-C質(zhì)炮泥中的應(yīng)用

試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用表明：氮化硅鐵不僅可以改善炮泥的物理性能、高溫強(qiáng)度，而且對炮泥的開口性能、抗侵蝕沖刷性能等應(yīng)用性能的提高具有很好的效果。近年來，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足了大型高爐的需要，使高爐出鐵次數(shù)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(dá)到一定量以后，炮泥的綜合性能提高不明顯，因此，應(yīng)控制好氮化硅鐵加入量。有研究認(rèn)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(jī)制的研究有不少報(bào)道。文獻(xiàn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)：在1250℃開始放出隊(duì)；1300℃以上時(shí)，鐵常常發(fā)生硅鐵化；1400~1500℃時(shí)反應(yīng)劇烈，放出大量氣體，基質(zhì)中生成了SiC和AlN。分析認(rèn)為，氮化硅鐵在炮泥中發(fā)生的反應(yīng)如下：

9Fe+Si3N4→3Fe3Si+2N2，(1)

3Fe+Si3N4+2C→Fe3Si+2SiC+2N2，(2)

9Fe+Si3N4+Al2O3+3C→2AlN+3Fe3Si+3CO+N2。(3)

可見，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(qiáng)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?fàn)t渣侵蝕。

1.2在Al2O3-SiC-C質(zhì)鐵溝料中的應(yīng)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(qiáng)度，因而極大地提高了高爐出鐵溝的通鐵量。鄧小玲等和陳俊紅等研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅鐵可以顯著改善Al2O3-SiC-C質(zhì)出鐵溝澆注料的抗氧化性，而且隨著氮化硅鐵加入量的增加，抗氧化能力增強(qiáng)。其抗氧化機(jī)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(gòu)成氧化層的主體；隨著鐵相材料的氧化，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，會使?jié)沧⒘系募铀吭黾?，常溫性能指?biāo)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(qiáng)度。

1.3在Al2O3-SiC-C磚中的應(yīng)用

2、Fe-Si3N4-SiC復(fù)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(jié)性，可用作高溫結(jié)合相。如張勇等以質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)合SiC復(fù)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。

3、在其他耐火材料中的應(yīng)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(shù)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(qiáng)相氮化硅和金屬塑性相Fe，以剛玉、尖晶石為原料，將氮化硅鐵以細(xì)粉形式添加，根據(jù)過渡塑性理論制備出低成本的抗氧化、抗侵蝕性好的無鉻不燒耐火材料。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，可用來代替鎂鉻磚用于RH精煉爐。