中国粉体网讯  随着钢铁冶炼等高温技术的发展，优质高效耐火材料及原料的开发及研究迫在眉睫，合成原料作为一种具有发展前途的耐火材料得到越来越多的应用。氮化硅铁(Fe-Si₃N₄)是近些年来出现的一种新型合成原料，它是以FeSi75铁合金为原料，利用氮化技术和高温合成工艺来制备的。

氮化硅铁的特性

耐火材料用氮化硅铁是一种灰白色(或茶褐色)的粉末，炼钢用氮化硅铁是灰白色粒状物。氮化硅是氮化硅和铁的混合物，一般含有75%～80%(w)的Si₃N₄，12%～17%(w)的Fe，游离的Si不大于1%(w)。氮化硅铁中的Si₃N₄有α和β两种晶型，均为六方晶体，铁元素以α-Fe或(和)铁的硅化物形式存在。

(图片来源：安阳市红兴氮化材料有限公司)

氮化硅铁因含有Si₃N₄相，而具有Si₃N₄的一些优异性能，如高的耐火度，良好的抗侵蚀性，高的力学强度，良好的抗热震性，较低的热膨胀率，较高的抗氧化性等一系列优点；又因其含有Fe塑性相而具有良好的烧结性能。同时，相对于氮化硅而言，氮化硅铁价格更低廉，也便于进行工业化推广和生产，因此已被用为耐火材料的原料、高温结合相和高温结构材料，现已广泛应用于高炉铁沟浇注料和炮泥中。近年来，对氮化硅铁材料及其在耐火材料中应用的研究越来越多。

氮化硅铁的合成方法

氮化硅铁的合成方法主要有直接氮化法、碳热还原氮化法、气相沉积法、热分解法、自蔓延高温燃烧合成法、闪速燃烧合成法、微波合成法、硅铁熔体氮化法等。合成方法及工艺不同，氮化硅铁的物相组成和结构也不尽相同。

（图片来源：安阳市恒安冶金耐材有限责任公司）

1、闪速燃烧合成法

闪速燃烧合成法（立式连续燃烧合成法）早期应用于金属氮化领域，新近引入耐火材料领域，用以制备氮化硅铁。在制备过程中，硅铁合金细粉颗粒群与上升的氮气气流充分接触发生反应，反应放出大量的热量维持反应的自我持续进行。闪速燃烧合成工艺效率高，合成的氮化硅铁中不含游离硅，产物纯度好，成本低，适宜于大批量连续生产。

闪速燃烧合成装置剖面图

2、自蔓延高温燃烧合成法

自蔓延(SHS)又称燃烧合成，是一种利用反应物之间高化学反应热的自加热和自传导过程来合成材料的一种新技术。自蔓延高温燃烧合成法制备出的氮化硅铁，物相中除含有β- Si₃N₄和α- Si₃N₄外，还含有大量的Si₂N₂O和FexSi等，其中未完全氮化的FexSi含量较多；微观结构为致密的氮化硅块体，块体表面覆盖有Si₂N₂O膜，块体的间隙存在晶形细小的氮化硅晶体，含铁组分镶嵌在致密的块体中；外观结构致密，性质稳定。此工艺具有生产成本低和更适于工业化生产等优点，但其操作工艺严格，工艺复杂，氮化反应难于控制，且存在氮化压力高，对设备要求苛刻，难以连续生产和产量低等缺点。

3、碳热还原氮化法

中国地质大学的研究人员以铁精矿粉、石英粉和焦炭粉等为主要原料(其粒度均小于0.3mm)，外加常温结合剂，按一定比例混合，在合适的温度制度下进行碳热还原氮化烧结，冷却后将产物破碎和磨细，得到可应用于各种炮泥耐火材料的高性能Fe-Si₃N₄耐火原料。

4、直接氮化法

直接氮化法是直接采用硅铁粉在高温下进行氮化反应，它是一种传统的制备方法，具有工艺简单，所需设备少，反应温度较低，是氮化反应方法中比较简单易行并广为采用的一种试验手段。缺点是氮化率低，氮化时间长，能耗高。此外，要得到高含量的β- Si₃N₄，必须长时间高温氮化，使得能耗大增。

氮化硅铁在耐火材料中应用

目前氮化硅铁主要用于浇注料、炮泥和复合耐火材料等耐火材料中。

1、浇注料

氮化硅铁在浇注料中的应用主要侧重于Al₂O₃-SiC-C铁沟浇注料、镁质浇注料和高铝浇注料等。

2、炮泥

炮泥是一种用于堵塞高炉出铁口的重要耐火材料，出铁时，渣、铁同时从出铁口排出。随着高炉的大型化和长寿化，高风温、富氧喷吹、高压等冶炼技术的不断强化，对出铁口炮泥的性能提出了更高的要求，如具有高的抗化学、渣和生铁侵蚀性，良好的烧结性、填充性，优良的抗热震性和高温体积稳定性，环境污染小，易开口，能延长出铁时间并保护炉缸。

含氮化硅铁的炮泥在实际使用过程中铁流稳定，无喷溅、红点等异常现象，高温抗折强度高，耐铁水冲刷性强，可实现稳定出铁60min以上，能够完全堵塞铁口，无钻风跑火现象。

3、复合耐火材料

复合耐火材料是由两种或两种以上不同性质的耐火原料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的耐火材料。氮化硅铁在复合耐火材料中的应用主要侧重于含碳复合材料和无碳复合材料。

参考来源:

[1]袁若寒等.氮化硅铁及其在耐火材料中的应用

[2]徐勇.氮化硅铁及其在耐火材料中应用的研究进展

[3]赵瑞等.氮化硅铁的性能、制备及其在耐火材料中的应用

（中国粉体网编辑整理/山川）

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