氮化硅在冶金工業(yè)中的應(yīng)用： 　　

       隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，冶金企業(yè)日益向大型化、連續(xù)化、自動(dòng)化、無(少)污染、低消耗等方向發(fā)展。因而冶金企業(yè)必須采用新技術(shù)、新設(shè)備、新材料。在諸多的材料中，氮化硅及氮化硅復(fù)合而成的賽隆(Sialon)陶瓷材料不斷被世界各國(guó)冶金企業(yè)所采用，且在冶金工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛[1~12]。 　　

       1.在煉鋁、銅、鋅等行業(yè)中的應(yīng)用 　　

       氮化硅陶瓷不受鋁液腐蝕的特性及其優(yōu)異的熱性能使其在制鋁行業(yè)中大有作為[6]，在鑄鋁連軋生產(chǎn)線和煉鋁、熔鋁作業(yè)中，氮化硅陶瓷可作測(cè)溫?zé)犭娕继坠埽€可作煉鋁溶煉爐襯、盛鋁液的“包子”內(nèi)襯、坩鋁的模具，全都可用氮化硅做成。優(yōu)質(zhì)碳化硅結(jié)合氮化硅及賽隆磚在鋁電解槽上使用，取代傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)是：①提高使用壽命，因其抗冰晶石等的侵蝕能力較強(qiáng)，抗氧化性能也較好；②增加產(chǎn)量，因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度較高，可減小襯里厚度，使槽內(nèi)工作容積增大，電極能量相應(yīng)增大；③降低單位電耗，因?yàn)殡妼?dǎo)率較高，相應(yīng)電損失較小[6]。這種制品在煉鋼行業(yè)也已被采用，如鼓風(fēng)爐的內(nèi)襯、燒咀、溜槽和渣銅分離器，及作為連續(xù)鑄銅的耐火部件。 　　

       目前，氮化硅陶瓷熱電偶套管用于鋁液測(cè)溫已開始在我國(guó)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(xù)使用20小時(shí)后即損壞。剛玉經(jīng)不起熱沖擊，而氮化硅陶瓷在鋁液中可長(zhǎng)期穩(wěn)定，間歇測(cè)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(cè)溫，使用效果也很好。 　　

       2.在煉鋼及軋鋼行業(yè)中的應(yīng)用 　　

       煉鋼新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，對(duì)鋼包用耐火材料提出了更高的要求，鋼包內(nèi)襯從原來占主導(dǎo)地位的高鋁磚等，轉(zhuǎn)向耐蝕性更好的材料[9~10]。近10年來，氮化硅結(jié)合碳化硅在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家里先后應(yīng)用于鋼包中，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。在國(guó)內(nèi)則于近兩年開始使用。上海某鋼廠通過實(shí)驗(yàn)表明，氮化硅結(jié)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(fù)沖刷下，包壁侵蝕嚴(yán)重，使用效果不理想，平均使用壽命僅37爐。采用氮化硅結(jié)合碳化硅磚后，鋼包使用次數(shù)達(dá)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(jié)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(zhì)量。由于試驗(yàn)鋼包采用氮化硅結(jié)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(yè)中應(yīng)用的最重要用途是作為水平連鑄造的分離環(huán)[9]。在水平連鑄造中，分離環(huán)把鋼液流分成熔融鋼液區(qū)與鋼液開始凝固區(qū)，起著分離鋼的液固界面的作用，對(duì)保持穩(wěn)定的鋼液凝固起點(diǎn)和鑄造坯質(zhì)量起著極大的作用。分離環(huán)為水平連鑄造技術(shù)的關(guān)鍵部件，它對(duì)耐火材料的要求極為嚴(yán)格：尺寸精確，機(jī)械加工容易，導(dǎo)熱性好，能抵抗高的熱應(yīng)力和熱沖擊的作用；耐鋼液的長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕和腐損作用；使用壽命長(zhǎng)。 　　

       水平連鑄造分離環(huán)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(shí)，它們對(duì)鋼坯的拉制操作不利，使用氧化鋁——石墨質(zhì)分離環(huán)的效果也不好。表1列出分離環(huán)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(huán)為最好。這類耐火材料具有高的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱沖擊性好，又不會(huì)被鋼液潤(rùn)濕，符合水平連鑄對(duì)耐熱震、耐侵蝕，不易堵塞的技術(shù)要求，是極有發(fā)展前途的連鑄造用耐火材料。 　　

       對(duì)連鑄用的浸入式水口，不依賴吹氣，而用材質(zhì)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(cè)壁狹縫吹氣，易使鋼產(chǎn)生針孔，降低鋼材質(zhì)量。目前，已試用過AI2O3、ZRO2、SI3N4、AI3N4、BN、B、C、Sialon等與石墨復(fù)合的材質(zhì)作浸入式水口試驗(yàn)，其中賽隆——石墨最少附著。用這種材料作浸入式水口內(nèi)襯，不吹氬，可連續(xù)運(yùn)行5~9爐。 　　

       表1水平連鑄分離環(huán)用耐火材料性能比較 　　

       材質(zhì)抗熱抗熱尺寸精度耐侵 　　

       與易加工耐磨性 　　

       震性應(yīng)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(yīng)結(jié)合氮化硅BBAAA 　　

       反應(yīng)結(jié)合氮化硅、氯化硼AAAAA 　　

       熱壓氮化硅AACAA 　　

       有許多工業(yè)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(xù)加熱爐水冷管滑軌系統(tǒng)，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(dòng)。爐內(nèi)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(yè)率。因而滑軌陶瓷化已是加熱爐的技術(shù)發(fā)展方向之一。目前，已進(jìn)行過氮化硅系材質(zhì)的試驗(yàn)，預(yù)計(jì)不久的將來將達(dá)到實(shí)用化程度。此外，在軋鋼系統(tǒng)值得一提的新技術(shù)是冷軋輥的陶瓷化。美國(guó)近幾年進(jìn)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(zhì)帶鋼薄25%[1、9]。 　　

       3.在煉鐵行業(yè)中的應(yīng)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(zhuǎn)變到以氧化物、非氧化物、石墨復(fù)合為主的完全新的一代耐火材料。這種轉(zhuǎn)變和發(fā)展不僅會(huì)繼續(xù)下去，且隨著煉鐵工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，還要求發(fā)展和使用更新一代的產(chǎn)品。在高爐耐火材料的這一轉(zhuǎn)變和發(fā)展過程中，氮化硅及賽隆結(jié)合碳化硅耐火材料是極為引人注目的[3~5]。 　　

       表2世界工業(yè)化高爐數(shù)/結(jié)合制品耐火材料使用率 　　

       爐缸直徑(mm)砌結(jié)合制品 　　

       地區(qū)總計(jì)爐子的百分 　　

       5~77~99~1010~1212~15比(%) 　　

       美國(guó)、加拿大4/431/1613/97/72/157/3765 　　

       歐洲4/416/1226/1518/46/470/4970 　　

       日本、遠(yuǎn)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(shù)/砌筑結(jié)合制品的爐子數(shù)15/1260/3556/2946/3234/23201/131 　　

       使用率(%)755255706861 　

       表3碳化硅結(jié)合氮化硅高爐耐火材料的性能 　　

       項(xiàng)目產(chǎn)品1產(chǎn)品2產(chǎn)品3 　　

       體積密度(g/cm3)2.632.652.70 　　

       尾氣孔率(%)161614 　　

       耐壓強(qiáng)度(MNm-2)138138213 　　

       常溫抗折強(qiáng)度(MNm-2)383847 　　

       135℃時(shí)抗折強(qiáng)度(MNm-2)424248 　　

       20~1400℃平均熱膨脹率4.74.7-5.1 　　

       導(dǎo)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(qiáng)度(MNm-2)19~283047 　　

       抗折強(qiáng)度變化(%)-26~-50-200 　　

       耐水蒸汽氧化性 　　

       600小時(shí)體積膨脹率(%)1255.7 　　

       順序氧化/熔堿試驗(yàn)重量變化(%)-45-25-4 　　

       耐CO侵蝕性100小時(shí)試驗(yàn)無影響無影響無影響 　　

       近年來,高爐用氮化硅及賽隆結(jié)合碳化硅制品有很快的發(fā)展.國(guó)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(jù)統(tǒng)計(jì),在過去10年里,在127座高爐里砌上了3500噸以上的此類優(yōu)質(zhì)制品,多數(shù)爐子的使用量為每座270~800噸,使用部位從風(fēng)口、爐腹、爐腰到爐身下中部。這是因?yàn)閮?yōu)質(zhì)結(jié)合制品具有耐侵蝕、耐磨損、抗熱震等優(yōu)點(diǎn)。尤其是抗堿侵蝕性優(yōu)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(jié)合制品，但是最近試驗(yàn)結(jié)果表明，新開發(fā)的賽隆結(jié)合制品的抗堿侵蝕性能最優(yōu)，因而已有10座高爐正式試用(總用量為840噸)。我國(guó)已在105m3的高爐上使用氮化硅結(jié)合碳化硅磚，歷時(shí)3年，尚在繼續(xù)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(shí)驗(yàn)證明，其抗渣蝕性和抗氧化性良好。 　　

       4.在金屬熱處理行業(yè)中的應(yīng)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(chǎng)合。如：鹽溶槽內(nèi)就不宜使用，熔融鹽類往往會(huì)把氮化硅陶瓷制品迅速腐蝕掉。而在某些場(chǎng)合，氮化硅陶瓷卻有很好的使用效果。例如：齒輪淬為設(shè)備上的心軸，必然要受到強(qiáng)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(yīng)爐內(nèi)于45秒從室溫加熱至900℃，然后帶齒輪浸油粹火，周而復(fù)始，每周操作5000次，連續(xù)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(fā)熱體的鉤等都是很合適的，因?yàn)樗哂心透邷睾透邷叵鲁叽绲姆€(wěn)定性。