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氮化硅铁在耐火材料中的应用

发布时间:2022-09-05人气:64

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。

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

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。

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。

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