氮化硅結(jié)合碳化硅材料的特性及應(yīng)用范圍*

侯撐選

(咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院 陜西 咸陽 712000)

1 簡介

氮化硅結(jié)合碳化硅制品是一種以碳化硅砂為主要原料，以氮化硅為結(jié)合相的高級耐火材料。由于SiC、Si3N4都是共價(jià)鍵化合物，燒結(jié)困難, 在工業(yè)生產(chǎn)中通常采用反應(yīng)燒結(jié)的方法制備。以SiC為骨料, 添加金屬硅粉, 選用合理的顆粒級配、混練制度和成形工藝, 干燥后的坯體在專用的燒成設(shè)備中，氮?dú)鈿夥諢伞Ｔ跓蛇^程中, 生成的Si3N4(基質(zhì)結(jié)合相)為灰白色晶體, 它能有效地將SiC 顆粒(骨料)結(jié)合在一起, 形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 從而使得制品具有其他耐火材料不可比擬的特性。氮化硅結(jié)合碳化硅材料是國外發(fā)達(dá)國家如美國的Norton、Carborundum公司，德國的Annawevrk、HTK公司，日本TKR、NGK公司等于20世紀(jì)70年代應(yīng)用于砂輪、陶瓷、電瓷等行業(yè)的一種碳化硅特種制品。該材料于20世紀(jì)80年代中期引入我國，歷經(jīng)多年的推廣及應(yīng)用，逐漸了解氮化硅結(jié)合碳化硅材料的優(yōu)越性能。

2 性能

氮化硅結(jié)合碳化硅材質(zhì)的高溫抗折強(qiáng)度是普通耐火材料的4～8倍;熱膨脹系數(shù)是高鋁耐火材料的一半;導(dǎo)熱系數(shù)是一般耐火材料的7～8倍，強(qiáng)度隨溫度的升高而提高, 溫度升至1 400 ℃ 時(shí), 強(qiáng)度開始下降；但溫度降至1 500 ℃ 時(shí)仍保持常溫抗折強(qiáng)度指標(biāo)，該材料的熱傳導(dǎo)率隨溫度的升高而逐漸降低，具有密度大、強(qiáng)度高、熱震穩(wěn)定性好、荷重軟化點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、電阻值高等特點(diǎn), 并且具有優(yōu)良的抗冰晶石、氟化鋁、氟化鈉及氟化鈣等熔化侵蝕性和抗氧化性?，F(xiàn)將其性能描述如下：

1)氮化硅結(jié)合碳化硅制品質(zhì)地堅(jiān)硬，莫氏硬度約為9，在非金屬材料中屬于高硬度材料，其硬度僅次于金剛石。

2)氮化硅結(jié)合碳化硅制品的常溫強(qiáng)度高，在1 200～1 400 ℃高溫下幾乎保持與常溫相同的強(qiáng)度和硬度。隨著使用氣氛的不同，最高安全使用溫度可達(dá)到1 650～1 750 ℃。

3)熱膨脹系數(shù)小，相對于碳化硅等制品熱導(dǎo)率高，不易產(chǎn)生熱應(yīng)力，具有良好熱震穩(wěn)定性，使用壽命長。高溫抗蠕變能力強(qiáng)，耐腐蝕，耐極冷極熱，抗氧化，易制成尺寸精度高符合要求的制品。

3 應(yīng)用

3.1 陶瓷行業(yè)

3.1.1 建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)

現(xiàn)階段在陶瓷產(chǎn)品的燒成中，大多使用輥道窯燒成衛(wèi)生陶瓷和墻地磚,而輥道窯的輥棒基本為氮化硅結(jié)合碳化硅材質(zhì)。氮化硅結(jié)合碳化硅輥棒的應(yīng)用解決了燒成溫度高、荷重大這一難題，有效地降低了產(chǎn)品能耗,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1.2 日用陶瓷行業(yè)

日用陶瓷的燒成有兩種方式：一種是用匣缽或類似的窯具使用梭式窯燒成；另外一種是與建筑衛(wèi)生瓷燒成相同采用輥道窯燒成。采用氮化硅結(jié)合碳化硅材質(zhì)的窯具可明顯降低窯具與制品的質(zhì)量比,節(jié)能降耗,同時(shí)還能提高產(chǎn)品的質(zhì)量及合格率。使用輥道窯燒成日用陶瓷,采用氮化硅結(jié)合碳化硅輥棒提高了窯爐的使用壽命。

3.1.3 電瓷和電子陶瓷行業(yè)

電瓷和電子陶瓷行業(yè)需高溫高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性好、使用壽命長、價(jià)格適宜的窯具材料，這為氮化硅結(jié)合碳化硅材質(zhì)窯具的應(yīng)用提供了廣闊的市場。

3.2 冶金行業(yè)

3.2.1 煉鋁、銅、鋅等行業(yè)

采用優(yōu)質(zhì)氮化硅結(jié)合碳化硅材料取代傳統(tǒng)的碳素材料在電解槽側(cè)墻上使用，還可作為測溫?zé)犭娕继坠?、煉鋁熔煉爐爐襯、盛鋁液的“包子”內(nèi)襯、坩堝、輸送鋁液的泵、管道、閥們、鑄鋁的模具、成形汽車輪轂的升液管等。

3.2.2 煉鋼及軋鋼行業(yè)

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)向耐腐蝕性更好的材料氮化硅結(jié)合碳化硅材料。在歐美等發(fā)達(dá)國家先后應(yīng)用于鋼包中，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。氮化硅作為耐火材料在煉鋼行業(yè)中應(yīng)用的最重要用途是用作水平連鑄造的分離環(huán)。此外，還有許多工業(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，用于水冷管滑軌系統(tǒng)最好的材質(zhì)便是氮化硅結(jié)合碳化硅材料制品。

3.2.3 煉鐵行業(yè)

近年來,高爐用氮化硅結(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,特別是爐缸直徑為12～15 m的大型高爐采用的已有68%。據(jù)統(tǒng)計(jì),在過去10年中,有127座高爐里砌上了3 500 t以上的此類優(yōu)質(zhì)制品,多數(shù)高爐的使用量為每座270～800 t,使用部位從風(fēng)口、爐腹、爐腰到爐身下中部等。

3.2.4 金屬熱處理行業(yè)

金屬熱處理的工作條件有各種各樣，而且工況較為惡劣。雖然氮化硅陶瓷不一定適用于各種狀況，但在一定條件下，氮化硅陶瓷卻有良好的使用效果。例如：齒輪淬為設(shè)備上的心軸，在真空熱處理中作為工件的夾具和發(fā)熱體的鉤等。

4 環(huán)保行業(yè)

目前在環(huán)境保護(hù)行業(yè)中，作為脫硫脫硝工程中的噴嘴絕大多數(shù)都是由氮化硅結(jié)合碳化硅材料制作的，使用該材料成形制作的噴嘴具有尺寸精確、耐腐蝕、耐沖刷性能好、霧化性能優(yōu)良，而且使用壽命較長等優(yōu)越性能。目前國內(nèi)外脫硫脫硝噴嘴的用量在逐年遞增。

5 結(jié)論

氮化硅結(jié)合碳化硅材料以其密度大、強(qiáng)度高、熱震穩(wěn)定性好、荷重軟化點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、電阻值高, 并且具有優(yōu)良的抗冰晶石、氟化鋁、氟化鈉及氟化鈣等熔化侵蝕性和抗氧化性等特性, 在建筑衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、電瓷、有色冶煉、煉鋼軋鋼、煉鐵、熱處理、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)中起著越來越不可代替的作用。