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?。⊿ialon）陶瓷材料不斷被世界各國冶金企業(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(xù)使用20小時后即損壞。剛玉經(jīng)不起熱沖擊，而氮化硅陶瓷在鋁液中可長期穩(wěn)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(yè)中的應(yīng)用 煉鋼新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，對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；耐鋼液的長時間的侵蝕和腐損作用；使用壽命長。 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，它們對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(shù)要求，是極有發(fā)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(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 C C C A A 氧化鋯 C C C A A 熔融石英 A A A B C 氧化鋯—鉬金屬陶瓷 A A C A 反應(yīng)結(jié)合氮化硅 B B A A A 反應(yīng)結(jié)合氮化硅、氯化硼 A A A A A 熱壓氮化硅 A A C A A 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。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 5~7 7~9 9~10 10~12 12~15 比（%） 美國、加拿大 4/4 31/16 13/9 7/7 2/1 57/37 65 歐洲 4/4 16/12 26/15 18/4 6/4 70/49 70 日本、遠(yuǎn)東 0/0 2/1 2/2 14/7 23/16 41/26 63 拉丁美洲 5/2 6/3 3/1 5/3 2/1 21/10 48 澳大利亞 2/2 5/3 2/2 2/1 1/1 12/9 75 爐子數(shù)/砌筑結(jié)合制品的爐子數(shù) 15/12 60/35 56/29 46/32 34/23 201/131 使用率（%） 75 52 55 70 68 61 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) 2.63 2.65 2.70 尾氣孔率(%) 16 16 14 耐壓強(qiáng)度(MNm-2) 138 138 213 常溫抗折強(qiáng)度(MNm-2) 38 38 47 135℃時抗折強(qiáng)度(MNm-2) 42 42 48 20~1400℃平均熱膨脹率 4.7 4.7 -5.1 導(dǎo)熱率[W(maK)]25℃ 35 35 41 800℃ 20 20 20 1200℃ 17.5 17.5 17 耐熔堿性 重量變化(%) -6~-20 -4 +0.7 殘余抗折強(qiáng)度(MNm-2) 19~28 30 47 抗折強(qiáng)度變化(%) -26~-50 -20 0 耐水蒸汽氧化性 600小時體積膨脹率(%) 1 25 5.7 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）。我國已在105m3的高爐上使用氮化硅結(jié)合碳化硅磚，歷時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合。如：鹽溶槽內(nèi)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(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。