氮化硅铁对铝碳质炮泥性能影响的研究

*周永平 唐丽霞 付文亮

(安阳钢铁集团有限责任公司)

0 前言

随着高炉大型化和冶炼技术的强化，铁口受到冲刷和侵蚀越来越严重，这对炮泥提出了更高的要求。一般通过添加非氧化物如氮化硅、氮化硅结合碳化硅和氮化硅铁等来提高铝碳质炮泥的性能，这些非氧化物添加剂具有良好的抗热震性、抗氧化性、耐冲刷性等优点［1－3］。本实验研究了添加Fe－Si3N4对铝碳质炮泥性能的影响。

1 实验

1.1 实验用原料

主要采用白刚玉、焦粉为骨料，绢云母、软质粘土和氮化硅铁(化学组成见表1)为细粉，焦油为结合剂。

表1 氮化硅铁的化学组成 wt%

1.2 试样的制备

按表2 进行配料，先将90%焦油与粗颗粒白刚玉混合，然后加入中颗粒白刚玉，再加细粉，最后再加10%的焦油混匀。将混好的原料在80 MPa 压力下压制成40 mm×40 mm×160 mm 的素坯，自然养护24 h 后脱模，再110℃×24 h 烘干。

1.3 试验方法

将素坯分两组，一组在1500℃×3h埋碳热处理，冷却后，利用万能材料试验机测其常温强度性能，真空泵和装煤油密封器皿测显气孔率和体密度，游标卡尺测线变化。另一组在1200℃×3 h 埋碳热处理，冷却后，将试样加工成坩埚，在坩埚中加入100 g 高炉渣，再次在1500℃×3 h 埋碳热处理，冷却后将试样沿纵向剖开，利用数码相机进行宏观分析及SEM 进行微观分析。试验所用炉渣的化学组成见表3。

表2 试样的配料 wt%

表3 炉渣的化学组成和碱度

2 实验结果与讨论

2.1 氮化硅铁对试样强度和气孔率的影响

氮化硅铁在高温下会与试样中的其他组成发生反应，对试样的常温性能产生一定影响。其添加量对试样常温性能影响见表4。

表4 试样的性能指标

从表4 中可以知道，添加了氮化硅铁的试样的强度(耐压强度、抗折强度)均高于未添加的1#试样，根据相关研究［4］，这主要是发生了以下反应:

随着氮化硅铁添加量的增加，试样的气孔率增加，这是因为发生了反应(2)和反应(3)，生成的气体N2和CO 在高温下迁移逸出时使试样的气孔尺寸增加，且随着氮化硅铁添加量的增加，生成的气体量也增加，所以1#～4#试样的气孔率呈上升趋势。

对4#试样的基质作X 衍射分析如图1 所示。

图1 试样4 基质的X 衍射分析结果

基质中生成了SiC 和AlN，且形成了相互交错的组织，强化骨料之间的结合，从而使试样的强度提高。2#、3#试样的强度随着氮化硅铁添加量的增加而增大，其主要原因是随着氮化硅铁添加量的增加，材料中的铁元素分布范围增大，材料的烧结性更好，并且生成的SiC 和AlN 量也在增加;但当氮化硅铁添加量增加到一定量(15%)后，4#试样强度开始下降，这主要是由于试样气孔率过大，而且过量铁元素的存在也使试样在高温时的液相数量增多，导致试样强度下降。

2.2 氮化硅铁对试样抗渣侵蚀性能的影响

高炉渣放入试样制成的坩埚中，在高温下炉渣熔化并与试样中的组分发生反应，产生低熔点物质，造成熔渣与试样接触面侵蚀。不同氮化硅铁含量侵蚀后试样的剖面如图2 所示。

图2 不同氮化硅铁含量侵蚀后试样的剖面

由图2 可看出，1#试样的剖面的内侧壁有明显的侵蚀现象，侵蚀部分呈现疏松状，2#试样的侵蚀现象也比较明显，而3#和4#试样的侵蚀程度明显减小，内侧壁光滑，与未被侵蚀部分的分界不明显。所以从表观上看，随着氮化硅铁添加量的增加试样抗渣侵蚀性能增强。

分别对试样进行线扫描，渣侵蚀深度是根据线扫描结果Ca 元素的变化趋势来确定，氮化硅铁添加量为0～10%时，渣的侵蚀深度逐渐减小;当超过10%后，渣的侵蚀深度略有增大。Fe－Si3N4加入量与侵蚀深度的关系如图3 所示。

图3 Fe－Si3N4加入量与侵蚀深度的关系

由图3 可看出，氮化硅铁可以改善材料的抗渣侵蚀性能，但其增加到一定量后效果不明显。这是因为氮化硅铁中的氮化硅是强共价键化合物，其具有热导率高、热膨胀系数小、机械强度高、耐磨性及自润滑性好及耐高温等特点，在高温下，氮化硅与渣的润湿角为110 °～130 °，远远大于刚玉耐火材料与渣的润湿角［5］。而且氮化硅铁在一定温度与其他组分发生反应，产生N2和CO，使得材料内部的气孔中充满气体，有效的阻止了熔渣的渗透。但氮化硅铁的加入量超过10%时，由于显气孔率的进一步上升，致使试样强度和抗冲刷性能下降，此外，材料中过多的铁元素会导致试样在高温时产生液相，这些因素都使试样抗侵蚀性能下降;但由于试样中铁元素含量相对较少，故3#和4#试样的抗渣侵蚀性能相差不大。

3 结论

1)添加适宜氮化硅铁可提高铝碳质炮泥的强度;

2)氮化硅铁添加剂可提高铝碳质炮泥的气孔率;

3)添加适量的氮化硅铁可以显著提高炮泥抗渣侵蚀性;

4)试样内加入10%的氮化硅铁即可获得较好的效果。

［1］T.Kojovic.Influence of aggregate stemming in blasting on the SAG mill performace.Minerals Engineering，2005，18，(1398－1404).

［2］F.J.Oliveira，R.F.Silva and J.M.Vieira.The Reaction Rate at Si3N4/Steel Interfaces as a Function of Sintering Aids.Journal of the European Ceramic Society，2002，22，(2561－2570).

［3］V.Stamos.Metal Thickness Effect on the Calibration of Stress Intensity Factors for Si3N4/Fe and Al2O3/Au Joints.Engineer Fracture Mechanics 1998，60，(323－332).

［4］桂明玺译.氮化硅铁在高炉出铁口用炮泥料中的性状.国外耐火材料，1998，23(12):41－44.

［5］孙荣国，薛文东，孙加林，洪彦若.氮化硅对刚玉质高炉喷补料抗渣性能的影响.耐火材料，2005，39(3):219－219.