氮化硅在冶金工業中的應用
氮化硅在冶金工業中的應用：
隨著科學技術的進步，冶金企業日益向大型化、連續化、自動化、無(少)污染、低消耗等方向發展。因而冶金企業必須采用新技術、新設備、新材料。在諸多的材料中，氮化硅及氮化硅復合而成的賽隆(Sialon)陶瓷材料不斷被世界各國冶金企業所采用，且在冶金工業中的應用領域日益廣泛[1~12]。
1.在煉鋁、銅、鋅等行業中的應用
氮化硅陶瓷不受鋁液腐蝕的特性及其優異的熱性能使其在制鋁行業中大有作為[6]，在鑄鋁連軋生產線和煉鋁、熔鋁作業中，氮化硅陶瓷可作測溫熱電偶套管，還可作煉鋁溶煉爐襯、盛鋁液的“包子”內襯、坩鋁的模具，全都可用氮化硅做成。優質碳化硅結合氮化硅及賽隆磚在鋁電解槽上使用，取代傳統的碳素材料，已取得顯著的效益，歐美、日本，已在逐步推廣。例如在110kVA的鋁電解槽上已使用三年，情況仍良好。它的優點是：①提高使用壽命，因其抗冰晶石等的侵蝕能力較強，抗氧化性能也較好；②增加產量，因為機械強度較高，可減小襯里厚度，使槽內工作容積增大，電極能量相應增大；③降低單位電耗，因為電導率較高，相應電損失較小[6]。這種制品在煉鋼行業也已被采用，如鼓風爐的內襯、燒咀、溜槽和渣銅分離器，及作為連續鑄銅的耐火部件。
目前，氮化硅陶瓷熱電偶套管用于鋁液測溫已開始在我國普及，這種套管的使用性能比常用的不銹鋼、剛玉陶瓷套管都好。不銹鋼容易受鋁液腐蝕，連續使用20小時后即損壞。剛玉經不起熱沖擊，而氮化硅陶瓷在鋁液中可長期穩定，間歇測溫1200次以上也不開裂。氮化硅陶瓷熱電偶套管也能用于鋅液測溫，使用效果也很好。
2.在煉鋼及軋鋼行業中的應用
煉鋼新技術、新工藝的應用，對鋼包用耐火材料提出了更高的要求，鋼包內襯從原來占主導地位的高鋁磚等，轉向耐蝕性更好的材料[9~10]。近10年來，氮化硅結合碳化硅在歐美等發達國家里先后應用于鋼包中，取得了明顯的經濟效益。在國內則于近兩年開始使用。上海某鋼廠通過實驗表明，氮化硅結合碳化硅磚在鋼包上使用能取得如下效果[S]；①提高鋼包的使用壽命。原鋼包壁用高鋁磚砌筑，在鋼水反復沖刷下，包壁侵蝕嚴重，使用效果不理想，平均使用壽命僅37爐。采用氮化硅結合碳化硅磚后，鋼包使用次數達到156爐，是原來鋼包壽命的4倍；②降低了耐火材料消耗和砌筑成本。原鋼包砌筑需耐火材料608kg，砌筑成本498.8元，共煉鋼81.4噸，噸鋼耐火材料消耗7.47kg，噸鋼砌筑成本6.13元。采用氮化硅結合碳化硅磚后，需耐火材料830kg，砌筑成本為1696.6元，共煉鋼342.2噸，噸鋼耐火材料消耗2.41kg，噸鋼砌筑成本4.98元。與原鋼包相比，噸鋼耐火材料消耗降低5.06kg，噸鋼砌筑成本降低1.19元；③有利于提高鋼的質量。由于試驗鋼包采用氮化硅結合碳化硅磚后，耐火材料的侵蝕甚微，鋼中夾雜物減少。
氮化硅作為耐火材料在煉鋼行業中應用的最重要用途是作為水平連鑄造的分離環[9]。在水平連鑄造中，分離環把鋼液流分成熔融鋼液區與鋼液開始凝固區，起著分離鋼的液固界面的作用，對保持穩定的鋼液凝固起點和鑄造坯質量起著極大的作用。分離環為水平連鑄造技術的關鍵部件，它對耐火材料的要求極為嚴格：尺寸精確，機械加工容易，導熱性好，能抵抗高的熱應力和熱沖擊的作用；耐鋼液的長時間的侵蝕和腐損作用；使用壽命長。
水平連鑄造分離環曾試用過各種不同的耐火材料。在用氧化鋁、氧化鋯等氧化物系材料時，它們對鋼坯的拉制操作不利，使用氧化鋁——石墨質分離環的效果也不好。表1列出分離環用耐火材料的性能比較，從使用效果看，以氮化硅系耐火材料制作的分離環為最好。這類耐火材料具有高的機械強度、耐熱沖擊性好，又不會被鋼液潤濕，符合水平連鑄對耐熱震、耐侵蝕，不易堵塞的技術要求，是極有發展前途的連鑄造用耐火材料。
對連鑄用的浸入式水口，不依賴吹氣，而用材質解決水口的堵塞問題，已受到高度重視[10~11]。其原因是從浸入式水口側壁狹縫吹氣，易使鋼產生針孔，降低鋼材質量。目前，已試用過AI2O3、ZRO2、SI3N4、AI3N4、BN、B、C、Sialon等與石墨復合的材質作浸入式水口試驗，其中賽隆——石墨最少附著。用這種材料作浸入式水口內襯，不吹氬，可連續運行5~9爐。
表1水平連鑄分離環用耐火材料性能比較
材質抗熱抗熱尺寸精度耐侵
與易加工耐磨性
震性應力性能蝕性
氧化鋁CCCAA
氧化鋯CCCAA
熔融石英AAABC
氧化鋯—鉬金屬陶瓷AACA
反應結合氮化硅BBAAA
反應結合氮化硅、氯化硼AAAAA
熱壓氮化硅AACAA
有許多工業爐窯，為了防止其某些部件的過熱損毀，常常采用水冷措施。但隨之帶來大量熱量的流失。如軋鋼廠的典型連續加熱爐水冷管滑軌系統，被加熱的鋼錠支承在由縱向、橫向和垂直方向的水冷管支架架起來的滑軌上，并在其上滑行移動。爐內高溫加熱帶的溫度約1300℃。這些水冷管道置于這樣高的爐溫中，常常帶走25%左右的熱量。這不僅大大增加了加熱爐的熱耗，且還常常因水冷管道被燒損或壓彎變形而被迫停爐和檢修，降低了加熱爐的作業率。因而滑軌陶瓷化已是加熱爐的技術發展方向之一。目前，已進行過氮化硅系材質的試驗，預計不久的將來將達到實用化程度。此外，在軋鋼系統值得一提的新技術是冷軋輥的陶瓷化。美國近幾年進行了用賽隆陶瓷制冷的抗磨性比鋼軋輥高20倍，冷軋低碳帶鋼比鋼軋輥軋出的同材質帶鋼薄25%[1、9]。
3.在煉鐵行業中的應用
隨著高爐的大型化，高爐用耐火材料的主要成分由歷來的以氧化物為主轉變到以氧化物、非氧化物、石墨復合為主的完全新的一代耐火材料。這種轉變和發展不僅會繼續下去，且隨著煉鐵工業技術的發展，還要求發展和使用更新一代的產品。在高爐耐火材料的這一轉變和發展過程中，氮化硅及賽隆結合碳化硅耐火材料是極為引人注目的[3~5]。
表2世界工業化高爐數/結合制品耐火材料使用率
爐缸直徑(mm)砌結合制品
地區總計爐子的百分
5~77~99~1010~1212~15比(%)
美國、加拿大4/431/1613/97/72/157/3765
歐洲4/416/1226/1518/46/470/4970
日本、遠東0/02/12/214/723/1641/2663
拉丁美洲5/26/33/15/32/121/1048
澳大利亞2/25/32/22/11/112/975
爐子數/砌筑結合制品的爐子數15/1260/3556/2946/3234/23201/131
使用率(%)755255706861
表3碳化硅結合氮化硅高爐耐火材料的性能
項目產品1產品2產品3
體積密度(g/cm3)2.632.652.70
尾氣孔率(%)161614
耐壓強度(MNm-2)138138213
常溫抗折強度(MNm-2)383847
135℃時抗折強度(MNm-2)424248
20~1400℃平均熱膨脹率4.74.7-5.1
導熱率[W(maK)]25℃353541
800℃202020
1200℃17.517.517
耐熔堿性
重量變化(%)-6~-20-4+0.7
殘余抗折強度(MNm-2)19~283047
抗折強度變化(%)-26~-50-200
耐水蒸汽氧化性
600小時體積膨脹率(%)1255.7
順序氧化/熔堿試驗重量變化(%)-45-25-4
耐CO侵蝕性100小時試驗無影響無影響無影響
近年來,高爐用氮化硅及賽隆結合碳化硅制品有很快的發展.國外已有約61%的高爐采用它,如表2所示,特別是爐缸直徑為12~15m的大型高爐采用它的已有68%.據統計,在過去10年里,在127座高爐里砌上了3500噸以上的此類優質制品,多數爐子的使用量為每座270~800噸,使用部位從風口、爐腹、爐腰到爐身下中部。這是因為優質結合制品具有耐侵蝕、耐磨損、抗熱震等優點。尤其是抗堿侵蝕性優越，而高爐中段耐火材料最主要的損毀因素是堿侵蝕。目前，主要推廣使用氮化硅結合制品，但是最近試驗結果表明，新開發的賽隆結合制品的抗堿侵蝕性能最優，因而已有10座高爐正式試用(總用量為840噸)。我國已在105m3的高爐上使用氮化硅結合碳化硅磚，歷時3年，尚在繼續使用中，效果很好。表3為新型高爐耐火材料的性能比較。日本神戶鋼鐵公司古川鋼鐵廠，在混鐵車上使用添加β—Si3N4的AI2O3—SiC—C磚，實驗證明，其抗渣蝕性和抗氧化性良好。
4.在金屬熱處理行業中的應用
金屬熱處理的工作條件有各種各樣，氮化硅陶瓷不一定適用于每種場合。如：鹽溶槽內就不宜使用，熔融鹽類往往會把氮化硅陶瓷制品迅速腐蝕掉。而在某些場合，氮化硅陶瓷卻有很好的使用效果。例如：齒輪淬為設備上的心軸，必然要受到強烈的熱沖擊。用氮化硅陶瓷做成心軸套住要處理的齒輪，在感應爐內于45秒從室溫加熱至900℃，然后帶齒輪浸油粹火，周而復始，每周操作5000次，連續使用一年多，氮化硅陶瓷心軸僅有輕微的磨損。氮化硅陶瓷在真空熱處理中作為工件的夾具和發熱體的鉤等都是很合適的，因為它具有耐高溫和高溫下尺寸的穩定性。