中國粉體網(wǎng)訊  隨著鋼鐵冶煉等高溫技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)高效耐火材料及原料的開發(fā)及研究迫在眉睫，合成原料作為一種具有發(fā)展前途的耐火材料得到越來越多的應(yīng)用。氮化硅鐵(Fe-Si₃N₄)是近些年來出現(xiàn)的一種新型合成原料，它是以FeSi75鐵合金為原料，利用氮化技術(shù)和高溫合成工藝來制備的。

氮化硅鐵的特性

耐火材料用氮化硅鐵是一種灰白色(或茶褐色)的粉末，煉鋼用氮化硅鐵是灰白色粒狀物。氮化硅是氮化硅和鐵的混合物，一般含有75%～80%(w)的Si₃N₄，12%～17%(w)的Fe，游離的Si不大于1%(w)。氮化硅鐵中的Si₃N₄有α和β兩種晶型，均為六方晶體，鐵元素以α-Fe或(和)鐵的硅化物形式存在。

(圖片來源：安陽市紅興氮化材料有限公司)

氮化硅鐵因含有Si₃N₄相，而具有Si₃N₄的一些優(yōu)異性能，如高的耐火度，良好的抗侵蝕性，高的力學(xué)強(qiáng)度，良好的抗熱震性，較低的熱膨脹率，較高的抗氧化性等一系列優(yōu)點(diǎn)；又因其含有Fe塑性相而具有良好的燒結(jié)性能。同時(shí)，相對于氮化硅而言，氮化硅鐵價(jià)格更低廉，也便于進(jìn)行工業(yè)化推廣和生產(chǎn)，因此已被用為耐火材料的原料、高溫結(jié)合相和高溫結(jié)構(gòu)材料，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高爐鐵溝澆注料和炮泥中。近年來，對氮化硅鐵材料及其在耐火材料中應(yīng)用的研究越來越多。

氮化硅鐵的合成方法

氮化硅鐵的合成方法主要有直接氮化法、碳熱還原氮化法、氣相沉積法、熱分解法、自蔓延高溫燃燒合成法、閃速燃燒合成法、微波合成法、硅鐵熔體氮化法等。合成方法及工藝不同，氮化硅鐵的物相組成和結(jié)構(gòu)也不盡相同。

（圖片來源：安陽市恒安冶金耐材有限責(zé)任公司）

1、閃速燃燒合成法

閃速燃燒合成法（立式連續(xù)燃燒合成法）早期應(yīng)用于金屬氮化領(lǐng)域，新近引入耐火材料領(lǐng)域，用以制備氮化硅鐵。在制備過程中，硅鐵合金細(xì)粉顆粒群與上升的氮?dú)鈿饬鞒浞纸佑|發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)放出大量的熱量維持反應(yīng)的自我持續(xù)進(jìn)行。閃速燃燒合成工藝效率高，合成的氮化硅鐵中不含游離硅，產(chǎn)物純度好，成本低，適宜于大批量連續(xù)生產(chǎn)。

閃速燃燒合成裝置剖面圖

2、自蔓延高溫燃燒合成法

自蔓延(SHS)又稱燃燒合成，是一種利用反應(yīng)物之間高化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)過程來合成材料的一種新技術(shù)。自蔓延高溫燃燒合成法制備出的氮化硅鐵，物相中除含有β- Si₃N₄和α- Si₃N₄外，還含有大量的Si₂N₂O和FexSi等，其中未完全氮化的FexSi含量較多；微觀結(jié)構(gòu)為致密的氮化硅塊體，塊體表面覆蓋有Si₂N₂O膜，塊體的間隙存在晶形細(xì)小的氮化硅晶體，含鐵組分鑲嵌在致密的塊體中；外觀結(jié)構(gòu)致密，性質(zhì)穩(wěn)定。此工藝具有生產(chǎn)成本低和更適于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但其操作工藝嚴(yán)格，工藝復(fù)雜，氮化反應(yīng)難于控制，且存在氮化壓力高，對設(shè)備要求苛刻，難以連續(xù)生產(chǎn)和產(chǎn)量低等缺點(diǎn)。

3、碳熱還原氮化法

中國地質(zhì)大學(xué)的研究人員以鐵精礦粉、石英粉和焦炭粉等為主要原料(其粒度均小于0.3mm)，外加常溫結(jié)合劑，按一定比例混合，在合適的溫度制度下進(jìn)行碳熱還原氮化燒結(jié)，冷卻后將產(chǎn)物破碎和磨細(xì)，得到可應(yīng)用于各種炮泥耐火材料的高性能Fe-Si₃N₄耐火原料。

4、直接氮化法

直接氮化法是直接采用硅鐵粉在高溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)，它是一種傳統(tǒng)的制備方法，具有工藝簡單，所需設(shè)備少，反應(yīng)溫度較低，是氮化反應(yīng)方法中比較簡單易行并廣為采用的一種試驗(yàn)手段。缺點(diǎn)是氮化率低，氮化時(shí)間長，能耗高。此外，要得到高含量的β- Si₃N₄，必須長時(shí)間高溫氮化，使得能耗大增。

氮化硅鐵在耐火材料中應(yīng)用

目前氮化硅鐵主要用于澆注料、炮泥和復(fù)合耐火材料等耐火材料中。

1、澆注料

氮化硅鐵在澆注料中的應(yīng)用主要側(cè)重于Al₂O₃-SiC-C鐵溝澆注料、鎂質(zhì)澆注料和高鋁澆注料等。

2、炮泥

炮泥是一種用于堵塞高爐出鐵口的重要耐火材料，出鐵時(shí)，渣、鐵同時(shí)從出鐵口排出。隨著高爐的大型化和長壽化，高風(fēng)溫、富氧噴吹、高壓等冶煉技術(shù)的不斷強(qiáng)化，對出鐵口炮泥的性能提出了更高的要求，如具有高的抗化學(xué)、渣和生鐵侵蝕性，良好的燒結(jié)性、填充性，優(yōu)良的抗熱震性和高溫體積穩(wěn)定性，環(huán)境污染小，易開口，能延長出鐵時(shí)間并保護(hù)爐缸。

含氮化硅鐵的炮泥在實(shí)際使用過程中鐵流穩(wěn)定，無噴濺、紅點(diǎn)等異�，F(xiàn)象，高溫抗折強(qiáng)度高，耐鐵水沖刷性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定出鐵60min以上，能夠完全堵塞鐵口，無鉆風(fēng)跑火現(xiàn)象。

3、復(fù)合耐火材料

復(fù)合耐火材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的耐火原料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀(微觀)上組成具有新性能的耐火材料。氮化硅鐵在復(fù)合耐火材料中的應(yīng)用主要側(cè)重于含碳復(fù)合材料和無碳復(fù)合材料。

參考來源:

[1]袁若寒等.氮化硅鐵及其在耐火材料中的應(yīng)用

[2]徐勇.氮化硅鐵及其在耐火材料中應(yīng)用的研究進(jìn)展

[3]趙瑞等.氮化硅鐵的性能、制備及其在耐火材料中的應(yīng)用

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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