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耐火材料行业动态

氮化硅铁对铝碳质炮泥性能影响的研究

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。本实验研究了添加Fe-Si3N4对铝碳质炮泥性能的影响。

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。

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表1  氮化硅铁的化学组成
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80MPa压力下压制成40mmx40mmx160mm的素坯,自然养护24h后脱模,再110℃x24h烘干。

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表2 试样的配料
1.3 试验方法
将素坯分两组,一组在1500℃x3h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℃x3h埋碳热处理,冷却后,将试样加工成圮蜗,在此蜗中加入100g高炉渣,再次在1500℃x3h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3  炉渣的化学组成和碱度

实验结果与讨论

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。

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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,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。

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图1 试样4基质的X衍射分析结果
基质中生成了SiC和A1N,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A1N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。

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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。

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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。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。

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。


TAG标签: 炮泥

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