Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量对铁沟浇注料性能的影响

王佳宁１      赵现华１      颜  浩２     任  林２      张义先１

（１．海城利尔麦格西塔材料有限公司， 海城  １ １４２０６；

２．北京利尔高温材料股份有限公司，北京  １０２２１ １）

摘  要： 为了进一步提高 Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ 铁沟浇注料的性能，以特级矾土、棕刚玉、ＳｉＣ 、Ａｌ２ Ｏ３ 微粉、白刚玉、硅微粉、

９７ 硅粉、Ｓｉ３ Ｎ４ 粉为主要原料，以高铝水泥为结合剂，制备了铁沟浇注料，研究了 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量对铁沟浇注料性能的影 响。结果表明：添加 Ｓｉ３ Ｎ４ 可使浇注料在高温下具有更优异的机械性能、抗热震性和良好的抗氧化性；另一方面由于 材料在烧结过程中生成了 β－赛隆相，并与刚玉紧密结合，使试样结构致密，提高了材料的抗渣性能。

关键词： Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量； Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ 浇注料；强度；抗渣性能

１   前言

铁沟浇注料是 ２０ 世纪 ７０ 年代后期发展起来的  一种新型不定形耐火材料，具有通铁量高、寿命长、 耐火材料消耗低、施工方便等特点［１］。Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ  质浇注料因具备优异的耐剥落和耐侵蚀性，故被广泛  使用在出铁沟系统。为了进一步优化 Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ  质浇注料的各项性能，考虑到 Ｓｉ３ Ｎ４ 具有抗热震性好、 高温蠕变小、与渣铁难润湿等特性，加入 Ｓｉ３ Ｎ４ 的浇注  料具有更优异的抗渣性能［２－３］。顾华志等［４］将 Ｓｉ３ Ｎ４    引入到铁沟浇注料中，研制出了赛隆增强 Ａｌ２ Ｏ３－

ＳｉＣ－Ｃ 铁沟浇注料，取得很好的效果。李朝云等［５］ 在铁沟浇注料中引入不同量的 Ｓｉ３ Ｎ４ 来取代沥青和 ＳｉＣ，报道了 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量对铁沟浇注料力学性能的 影响。但在上述材料中普遍需要氮化烧成，工艺复 杂，生产难度大。若利用氧化气氛烧成，可大大简化 生产工艺。本试验主要研究了 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量对铁沟 浇注料性能的影响。

２   试验

２．１   原料

本试验原料以特级矾土、棕刚玉为骨料，以 ＳｉＣ 、 α－Ａｌ２ Ｏ３ 微粉（ ０．０４５ ｍｍ）、白刚玉（ ０．０４５ ｍｍ）、硅  微粉（０．０７４ ｍｍ）、９７ 金属硅粉（ ０．０７４ ｍｍ）、Ｓｉ３ Ｎ４    （０．０７４ ｍｍ）为基质，以纯铝酸钙水泥为结合剂，外  加少量的分散剂以及有机防爆纤维。主要原料的化  学成分列于表 １ 。

表 １   主要原料的化学成分            ％

２．２   试验过程

按表 ２ 所列配方进行配料，将原料经搅拌机搅 拌，在搅拌过程中逐渐加入适量的水。搅拌均匀后， 振动浇注成 １６０ ｍｍ ×４０ ｍｍ × ４０ ｍｍ 的条形试样和  Φ１００ ｍｍ × １００ ｍｍ 、中孔 Φ５０ ｍｍ × ６０ ｍｍ 的坩埚试 样，经 ２４ ｈ 自然养护脱模，放入烘箱内经 １１０ ℃ 烘干  ２４ ｈ；再经 １ ４５０ ℃保温 ３ ｈ 热处理。

表 ２   试样的配料组成              ％

将试样放入电炉中于 １ ５００ ℃ 烧成并保温５ ｈ， 待炉冷却后将其取出，沿坩埚中心将其切开观察渣  对坩埚试样的侵蚀和渗透情况，并对其进行扫描电 镜分析和 Ｘ 射线衍射分析，以确定试样内部显微结 构及相组成。高炉渣成分分析列于表 ３ 。

表 ３   高炉渣成分分析              ％

２．３   性能检测

按 ＹＢ／Ｔ ５２００－１９９３ 标准检测干燥和烧成后试 样的体积密度和显气孔率；按 ＹＢ／Ｔ ５２０１－１９９３ 标准检测干 燥 和 烧成 后试样 的 耐 压强 度；按 ＧＢ／Ｔ ３００２－１９８２ 标准检测经 １ １０ ℃ 保温 ２４ ｈ 干燥后试 样的高温抗折强度。

３   结果与讨论

３．１   Ｓｉ３ Ｎ４  加入量对试样体积密度和显气孔率的影响

 Ｓｉ３ Ｎ４  加入量对试样体积密度、显气孔率的影响可以看出，浇注料在经过 １ １０ ℃ 、保温２４ ｈ 和 １ ４５０ ℃ 、保温 ３ ｈ 处理后，体积 密度呈现出逐渐降低的趋势；从图 １（ｂ）可以看出， 经中、低温处理后，试样显气孔率均呈现出逐渐增大  的趋势。

３．２   Ｓｉ３ Ｎ４  加入量对试样强度的影响

Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量对试样常温抗折强度和耐压强度 的影响示于图 ２ 。可以看出，随着 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量的增 加，经 １ １０ ℃ 、保温 ２４ ｈ 和 １ ４５０ ℃ 、保温 ３ ｈ 处理 后，浇注料的抗折强度和耐压强度均呈现先减小后 增大的趋势。

３．３   Ｓｉ３ Ｎ４  加入量对试样抗渣性能的影响

图 ３ 所示为试样 Ｎ０、Ｎ６ 渣侵蚀后显微结构图。 选取了不添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的坩埚试样 Ｎ０ 和 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量  为 ６％ 的试样 Ｎ６ 进行抗渣试验分析。切取坩埚受  侵蚀部分做成试样，研磨抛光后在扫描电镜（ＳＥＭ）

下观察了试样的显微结构。从图 ３ 可以看出，试样 Ｎ０ 渣层的主要成分为 一些低熔物，基质中气孔较多，结构疏松，说明试样 氧化较严重。而试样 Ｎ６ 的侵蚀部分基本上可以分 为渣层、过渡层和原砖层，渣层和过渡层之间界限较 清晰，无明显的反应层。说明添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的试样抗 侵蚀能力较强。

选取试样 Ｎ０、Ｎ６ 部分基质做 Ｘ 射线衍射分析， 结果如图 ４ 所示。结果表明：不添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的试样  物相主要有刚玉、α－Ａｌ２ Ｏ３ 、少量 Ｃａ３（ＡｌＯ３）２ 、ＳｉＯ２ 、有刚玉、α－Ａｌ２ Ｏ３ 、少量 ＳｉＯ２ 、Ｃａ２ Ａｌ２ Ｏ５ 、Ｃａ３ Ｓｉ２ Ｏ７ 外， 还有 Ｓｉ５ ＡｌＯＮ７ 相生成。在试样 Ｎ６ 原砖层开始发现 短柱状、未发育完全的晶粒（ 图 ５）。对该晶粒分析  得到 Ｓｉ 、Ａｌ 、Ｏ 、Ｎ 的原子百分比（ 表 ４），这些短柱状 晶粒为 β－赛隆。

表 ４   选取晶粒的原子百分比      ％

４   结论

（１） 随着 Ｓｉ３ Ｎ４  加入量的增加，试样的气孔率 逐渐增加，体积密度逐渐降低，抗折强度和耐压强度 呈现先减小后增大的趋势。

（２） 添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的试样，其抗渣性能优于不添 加 Ｓｉ３ Ｎ４  的试样。

（３） 添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的试样，基质中生成了 β－赛隆 相，并与刚玉紧密结合，使试样结构致密，改善了试 样的抗渣性能，并具有良好的使用效果。

参考文献

［１］ 中国冶金百科全书总委员会《 耐火材料》 卷委员会．中国冶金

百科全书：耐火材料［ Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９７．

［２］ 涂军波，魏军从，李朝云． Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量对 Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ 铁沟浇

注料抗渣性能的影响［Ｊ］．硅酸盐通报，２０１０，２９（３）：７１４－７１７．

［３］ 蔡德龙．Ｓｉ３ Ｎ４－ＳｉＣ 复相材料合成及其在出铁沟浇注料中的应

用研究［ Ｄ］．北京：中国地质大学，２０１ １．

［４］ 顾华志，吕春燕，汪厚植，等． 原位生成 Ｓｉａｌｏｎ 增强 Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ

铁沟浇注料的力学性能［ Ｊ］．耐火材料，２００４，３８（３）：１６０－１６４．

［５］ 李朝云． 环保型高炉出铁沟自流浇注料的研究［ Ｄ］．唐山：河北

理工大学，２００９．