海南耐火材料——氮化矽的性能及其在耐火材料工業中的應用

氮化矽陶瓷是一種人工合成的材料，其結構中矽原子和氮原子間的共價鍵力強，因此其具有高強度、高硬度、耐腐蝕、抗氧化、耐磨損，良好的抗熱沖擊等特點，被材料界認為是綜合性能優良、可應用於高溫領域的一種工程陶瓷材料。

氮化矽的研究從20世紀50年代開始，到目前己經將近70年了。最近三十年間，氮化矽陶瓷的犮展迅速，在其基礎結構，相關粉末制備，制品燒結等方面進行了大量的研究，取得了矚目的成績。

氮化矽陶瓷具有良好的綜合性能，具有廣闊的應用前景，長期以來，材料工作者一直致力於幵發氮化桂陶瓷的優異性能，不斷的開拓其應用領域。隨著新技術的發展和理論的不斷深入，氮化矽陶瓷作為一種性能優異的工程材料，必將得到更加迅速的發展和廣泛的應用。

1、氮化矽的性能

氮化矽陶瓷具有很高的斷裂韌性和常溫強度，即使在高溫下，其強度也不會降低很多，高溫穩定性良好。其主要的各項性能如下：

(1)氮化矽材料線膨脹系數較低，導熱性良好，具有優良的抗熱震性；

(2)氮化矽的硬度非常大，為99.5，僅次於金剛石、BN等少數超硬物質；

(3)氮化矽的摩擦系數小，本身具有自潤滑性，耐磨損；

(4)氮化矽具有良好的機械性能，熱壓和反應燒結的樣品都能獲得較高的抗彎強度，甚至能高達上千兆帕。其高溫穩定性好，高溫下仍然具有比較高的抗彎強度，高溫蠕變很小；

(5)氮化矽材料具有良好的絕緣性能，是高溫下良好的絕緣體材料；

(6)氮化矽的化學性質非常穩定，不受到除氫氟酸外所有無機酸的侵蝕，在某些堿中，也能穩定的存在；

(7)氮化矽陶瓷在氧化時，表面容易形成一層致密的二氧化矽膜，阻礙其繼續氧化。它耐氧化的溫度可達1400℃，在還原氣氛中最高可使用到1870℃。

(8)氮化矽與高溫的金屬溶液和熔融渣不潤濕，可以作為高溫金屬溶液過濾器和優秀的耐熔渣侵蝕材料。

2、氮化矽在耐火材料工業中的應用

氮化矽陶瓷由於具有高溫強度高，耐磨性和耐蝕性好等優異的高溫性能，被認為是很有發展前景的高溫結構材料。強共價鍵及高溫下的低擴散系數，導致氮化矽陶瓷的制造必須借助於高溫高壓及燒結劑，否則很難生產出高質量的氮化矽材料。這些生產成本及設備的限制，冶金行業很難接受，所以，在耐火材料領域的研究起步較晚，研究也不深入，很多理論來源於陶瓷，沒有太多的創新。目前，氮化矽在耐火材料中一般只是以結合相的形式存在，通過金屬Si的氮化燒成，將剛玉或碳化矽等原料結合到一起，從而達到難燒結物相結合的目的。例如鋁電解槽用氮化矽結合碳化矽材料等等都是以氮化生成的Si3N4作為結合相，Si3N4也常常以粉料的形式引入到耐火材料中。

(1)在煉鐵耐火材料中的應用

近些年來，大型高爐所用的剛玉-碳化矽-氮化矽-碳制品有了長足的發展。而氮化矽、氧氮化矽或塞隆結合的碳化矽耐火制品在大型高爐的中段部位、焦爐承重部位己經得到了大規模的應用。另外，剛玉-碳化矽-氮化矽-碳質的耐火材料在魚雷車的應用也越來越多，其抗侵蝕性良好，耐磨損，抗沖刷，魚雷車內襯耐火材料的使用壽命大大提高。

目前，國外己有約61%的高爐采用含Si3N4的耐火材料，特別是爐缸直徑為1215m的大型高爐采用它的己有68%。據統計，在過去10年裏，在127座高爐裏砌築了3500噸以上的此類優質制品。多數高爐的使用量為每座270800噸，使用部位從風口、爐腹、爐腰到爐身中下部，而高爐中段主要推廣使用氮化矽結合制品。日本神戶鋼鐵公司古川鋼鐵廠，在混鐵車上嘗試添加少量的純β-Si3N4到Al2O3-SiC-C磚中，實驗證明，其抗渣蝕性和抗氧化性都得到明顯改善。

(2)在煉鋼耐火材料中的應用

近幾年來，氮化矽在國內外先後應用於鋼包底部的滑板材料中。在滑板中添加氮化矽質材料，提高了滑板的耐磨性、抗沖刷性和使用壽命，降低了鋼包精煉的噸鋼成本；

(3)在鋁、銅、鋅等有色金屬冶煉耐火材料中的應用

氮化矽陶瓷在高溫下與金屬溶液不潤濕，所以其可用於有色金屬冶煉過程的高溫部件，如測溫熱電偶套管，冶煉爐爐襯及各種容器內襯、坩埚等。氮化矽陶瓷制品抗熱震性好，可以在高溫下，或者在高溫-低溫循環中穩定的長期使用。

(4)在窯具材料中的應用

陶瓷棚板即是以碳化矽為顆粒原料，金屬Si為細粉，在高溫氮氣氣氛下進行反應燒結制備的氮化矽結合碳化矽材料，使材料的性能得到大幅度地提高。同黏土結合的碳化矽棚板相比，材料的高溫性能得到大幅度提高，並且解決了黏土結合碳化矽擁板使用時因碳化矽的氧化導致棚板鼓脹破壞的問題。

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