Нитрид кремния и упрочняющие добавки основе нитрида кремния для огнеупоров
Применение: огнеупоры для черной и цветной металлургии: изделия и неформованные материалы для доменного и сталеплавильного переделов, производства алюминия и других цветных металлов.
Нитрид кремния является одним из немногих бескислородных тугоплавких соединений, нашедших широкое применение в промышленности благодаря своим уникальным физико-химическим характеристикам. Как жаропрочный конструкционный материал он используется в деталях поршневых двигателей и турбин; из нитрида кремния делают режущие пластины инструментов для станков-автоматов, коррозионностойкие защитные чехлы для термопар, высокотемпературные фильтры для агрессивных жидкостей и т.д. В огнеупорном производстве нитрид кремния впервые начал использоваться в конце 70-x годов прошлого века при изготовлении лёточных масс для доменных печей. Интенсификация доменного процесса и увеличение объёма доменных печей требовали разработки огнеупоров повышенной стойкости. Экспериментальными исследованиями была установлена способность нитрида кремния существенно улучшать эксплуатационные свойства лёточных масс и некоторых других огнеупоров, в частности карбидкремниевых изделий, используемых для футеровки алюминиевых электролизеров, коксовых батарей, доменных печей, различных топочных устройств. Нитрид кремния доказал свою высокую эффективность для повышения стойкости огнеупоров к расплавам чугуна, шлака и цветных металлов.
В настоящее время научно-техническая производственная фирма «Эталон» разработала серию упрочняющих добавок на основе нитрида кремния для применения в производстве различных огнеупорных материалов (табл.). Производство новых композиций осуществляется по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС процесс) в условиях высокого давления (10МПа) и температуры (~2000°C). В результате синтеза образуются композиционные материалы на основе нитрида кремния, которые обладают уникальными огнеупорными свойствами и имеют превосходную стойкость к расплавам чугуна, шлака и цветных металлов. Применение таких упрочняющих добавок способно значительно повысить срок службы и сократить расход таких огнеупоров, как:
- • Оксидоуглеродистые огнеупоры периклазуглеродистого и корундографитового составов для сталеплавильного производства и прочего назначения;
- • Глинозёмистые карбидкремнийсодержащие бетоны для применения в цветной металлургии (футеровка электролизеров, металлопроводы, ковши для разливки и прочее).
- • Карбидкремниевые огнеупоры на связке из нитрида кремния
- • Лёточные безводные массы для доменных печей
- • Изделия, бетоны, ремонтные массы и мертели на основе Al2O3-SiC-C для футеровки чугуновозных миксеров и прочего назначения.
| Наименование | Основное применение | Массовая доля, % | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Si | N | Si3N4 | Fe | C | Al | ||
| Упрочняющая добавка для огнеупорных материалов NITRO-FESIL® N30 | Безводные лёточные массы для доменного производства | 48-58 | не менее 29 | не менее 70 | 10-17 | - | - |
| Упрочняющая добавка для лёточных масс NITRO-FESIL® TL | Безводные лёточные массы для доменного производства | 45-55 | 27-33 | не менее 65 | 9-17 | - | - |
| Композиционный материал НИТРОКАРБИД НКК 1 | Огнеупоры типа Al2O3-SiC-C для футеровки чугуновозных миксеров и прочего назначения | 50-65 | не менее 23 | не менее 55 | не более 2,0 | 3-13 | - |
| Композиционный материал REFRASIN | Безводные лёточные и набивные желобные массы для доменного производства | 45-60 | 22-32 | не менее 50 | 10-17 | 2-12 | - |
| Нитрид кремния НК 1 | Огнеупоры для производства алюминия | - | не менее 36 | не менее 90 | не более 1,5 | - | не более 1,0 |
| Нитрид кремния НК 2 | Периклазуглеродистые и корундографитовые огнеупоры | - | 26-36 | 65-90 | не более 1,5 | - | не более 1,0 |
Фракционный состав 0–315 мкм; другой – по согласованию с потребителем.
Широкое применение получили упрочняющие добавки NITRO-FESIL® и Refrasin, которые востребованы в производстве лёточных и желобных масс для доменных печей. На сегодняшний день нитрид кремния на ферросилицидной связке (FeSi3N4) регламентируется в составах лёточных масс всех ведущих производителей. Причём его концентрация строго зависит от объёма домны – для печи большого объёма предлагается лёточная масса с большим содержанием FeSi3N4. Длительное время считалось, что влияние нитрида кремния аналогично влиянию карбида кремния, так как их основные физико-химические свойства близки. Однако рядом исследователей было доказано, что в канале летки и в окололеточном пространстве внутри печи по достижении температуры ~1400ºC нитрид кремния разлагается, а выделившийся в результате реакции кремний реагирует с углеродом с образованием вторичного карбида. При наличии в композиции силицидов железа, образование карбида кремния происходит через расплав с выделением удлиненных кристаллов β-SiC, которые, вырастая, формируют переплетенную сеть. Эта сеть связывает воедино все огнеупорные компоненты леточной массы, образуя прочный, стойкий к эрозии каркас. Такой механизм упрочнения леточной массы может реализовываться только при использовании нитрида кремния со связкой из силицидов железа (NITRO-FESIL®). Вместе с тем, для того чтобы сохранялось легкое вскрытие летки необходимо, чтобы механизм упрочнения лёточной массы путем образования упрочняющего каркаса из вторичного карбида кремния не срабатывал до начала бурения. Достигается это использованием нитрида кремния исключительно β-модификации. У разных производителей в зависимости от конкретных условий производства и эксплуатации количество нитрида ферросилиция в леточных массах находится в пределах 5-15%. Как правило, чем больше объём доменной печи, тем выше концентрация нитрида в составе лёточной массы. Таким образом, использование композиции NITRO-FESIL® обеспечивает получение высокотехнологичной лёточной массы с максимальной коррозионной и эрозионной стойкостью, исключая укорачивание длины летки, выбросы и сильный разгар лёточного канала при выпуске чугуна и шлака.
Другие огнеупорные материалы: