炮泥已从单纯的消耗性耐火材料转变成功能性耐火材料,其质量的好坏直接关系到高炉生产能否顺行.传统的炮泥已经不能适应现代冶炼要求,开发高性能炮泥势在必行!Si3N4具有熔点高、强度高、抗热震性好和结构稳定的特点,在一定程度上提高了炮泥的高温强度、抗氧化性、抗侵蚀和抗冲刷性能,但炮泥的开口性能改善不明显,而且Si3N4价格又比较昂贵,限制了其在炮泥中的使用。氮化硅铁具有Si3N4的所有特性,含有的金属塑性相Fe能促进烧结,在一定程度上又能解决Si3N4难烧结的问题,而且价格比Si3N4低廉,故对氮化硅铁在炮泥中应用的研究越来越多.
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氮化硅铁在复合耐火材料中的应用主要侧重于含碳复合材料和无碳复合材料!1含碳复合材料王跃等发现在ASC砖中加入氮化硅铁时,氮化硅铁中的Si3N4在高温使用过程中会转化为Si2N2O;而且随着氮化硅铁加入量的增加,Si2N2O生成量增加,ASC试样的高温抗折强度和抗渣侵蚀性能不断提高!AI2O3-C系材料是冶金工业中常用的含碳复合材料,具有较高的强度、良好的抗热震性和抗渣性能,被广泛应用于连铸用功能性构件,如滑板.
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氮化硅铁中少量的SiO2在高温下也消失了,少部分Si3N4转变为Si2N2O,与Fe3Si—起弥散于新相SiC之中.2无碳复合材料张勇等和PengDayan等在SiC颗粒中添加硅铁粉(FeSi2),加压成形后在氮化炉内直接氮化烧成氮化硅铁结合SiC复合材料时,发现硅铁粉的添加量应小于15%(w),而且还需通过控制氮化炉内氮的平衡分压和减缓升温速率的措施来控制氮化反应的进度,以此减缓氮化过程中试样内部的应力,防止试样的损坏!
加入氮化硅铁的炮泥在高温加热过程中,发生的反应除了沥青的分解、炭化和助烧结剂的液相烧结外,主要反应就是氮化硅铁在含碳材料中的反应,其气氛主要是含NOCO2和CO等的混合气体.其可能发生的主要反应如下:可见,加入氮化硅铁后,在高温下试样表面的Si3N4能氧化生成SiO2保护膜,阻碍炮泥的进一步氧化,提高炮泥的抗氧化性能.炮泥中的氮化硅铁在反应触媒——金属塑性相Fe和碳的参与下反应生成Si2N2O、SiC和AlN新相,强化了炮泥的基质和组织结构,提高材料的中温和高温强度!
而浇注料内部的Fe并不是以氧化铁(FexO)的形式存在,对高温性能不会有害!刘斌的研究也得出同样的结论,并且发现氮化硅铁中的Si3N4在高温下氧化生成的N2和炭素材料氧化生成的CO会堵塞材料的内部气孔,从而有效地防止了进一步氧化!有研究表明:添加5%(w)的氮化硅铁可以提高Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料的高温抗折强度、高温抗氧化性能。邢春山发现,随着氮化硅铁加入量的增加,铁沟浇注料的抗渣侵蚀性能略有提高!
宋文等研究发现,氮化硅铁在AI2O3-C体系中高温下主要发生Si3N4向SiC的转变(α-Si3N4先转化为β-Si3N4,后转化为SiC),氮化硅铁中的Fe3Si颗粒在此过程中逐渐变小,分散于SiC新相和未转变完的β-Si3N4中,材料的组织结构致密!陈俊红等研究了Fe-Si3N4-C体系材料高温时的物相变化和Fe元素的作用机制,结果表明:与Si3N4-C材料相比,Fe-Si3N4-C体系中的Fe对Si3N4向SiC转化具有明显的促进作用,使SiC的生成温度大大降低;Fe-Si3N4中的Fe3Si在C存在条件下变为Fe-Si-C熔体,[Fe]的活度增加,继而与Si3N4反应并吸纳其中的Si而成为Fe-Si-C系高硅过渡中间相,且伴随过渡中间相的流动、渗透,继而与C反应生成SiC或在熔体中析出SiC结晶,实现Fe对Si3N4向SiC转化的促进作用;而SiC的形成也将铁粒子由大分割变小,终形成SiC新相中弥散着铁粒子的复相结构。
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同时,相对于氮化硅而言,氮化硅铁价格更低廉,也便于进行工业化推广和生产,因此已被用为耐火材料的原料、高温结合相和高温结构材料,现已广泛应用于高炉铁沟浇注料和炮泥中!近年来,对氮化硅铁材料及其在耐火材料中应用的研究越来越多,也取得了一些成果!在本文中,介绍了氮化硅铁的合成、特性及其在浇注料、炮泥和复合耐火材料中应用的研究进展,并对其进行了前景展望.目前氮化硅铁主要用于浇注料、炮泥和复合耐火材料等耐火材料中!
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