三类新高温耐火材料介绍

　　耐火材料是高温产业的基础材料，是高温技术发展的保证。由于70%以上的耐火材料服务于冶金工业 因此人们多从冶金科学技术的发展看其对近代耐火材料形成的促进作用。 　　炼铁高炉的大型化和高压、高温技术的应用，要求耐火材料应具有耐高温、抗侵蚀、耐冲刷和良好的热震稳定性，要求使用寿命达15年，甚至20年以上，因而出现了氮化硅结合碳化硅、赛隆结合碳化硅和赛隆结合刚玉等非氧化物氧化物复合耐火材料，直至出现金属、非氧化物和氧化物复合耐火材料。近代炼钢工业的发展，特别是纯净钢冶炼技术的诞生，要求钢中碳含量必须降至极低水平，迫使独领炼钢耐火材料风骚几十年的含碳耐火材料让位于其它的新型非氧化物氧化物复合耐火材料。因为这类材料具有氧化物体系所不能比拟的性能。它们的通性是耐高温、抗渣铁侵蚀、耐磨损、热震等，而这些，正是作为优质的高温耐火材料所需具备的抗热震性能等。我国高温产业的科技水平及工艺水平近年来都有急速的发展，钢铁、有色金属、水泥、玻璃、陶瓷所取得的进步让世人瞩目，钢铁产量已超过美、日两国之和，耐火材料产量也稳居世界第一位，耐火材料的研究中心正在向我国转移，我们应担负起此重任，按照高质量、无污染、低消耗、廉价的原则建立起具有我国特色的非氧化物(金属)与氧化物复合材料为中心的近代耐火材料体系。 　　耐火氮化物原料的进展按照高质量、无污染、低消耗、廉价的原则，我国已在天然矿物(炭质粘土、铝矾土等)转型和大宗工业废弃物(煤矸石、氮气等)的再生利用方面做了许多工作。例如利用炭质粘土和煤矸石为前驱原料，发挥其中所含碳的作用，采用碳热还原氮化法，制备了廉价的b-SiAlON；利用铝矾土和镁砂合成镁阿隆(Mg AlON)；甚至用简单的方法就将煤矸石制成莫来石(3Al2O3·2SiO2)等。特别值得提出的是，利用制氧废弃的氮气，采用闪速燃烧常压快速合成法制备了廉价的氮化硅(Si3N4)，它的成本只有常用工艺(包括自蔓延工艺)的几十分之一，使得以前被视为贵重的材料得以在耐火材料行业应用，制成品已远销美、日、韩等十几个国家。这些成果不但是大幅度提高资源价位及环境友好的创造性工艺，而且表明具有中国特色的非氧化物原料体系已在逐步建立，我们已可为非氧化物与氧化物复合耐火材料体系提供充足且廉价的原料，奠定了近代耐火材料在我国发展的基础。 　　非氧化物复合新材料的发展具有代表性的非氧化物复合耐火材料不外为Si系和Al系的氮化物或碳化物，因为该两元素在地壳中含量最大，而且容易氮化、碳化。当它们作为耐火材料应用时，人们惊奇地发现它们具有高级耐火材料应具备的优秀品质，因此迅速地从Si3N4-SiC、SiC -SiC、b-SiAlON-SiC发展到b-SiAlON-Al2O3和b-SiAlON-Al2O3-SiC以及AlN、AlON、MgAlON等体系。 　　1、赛隆-刚玉-碳化硅系复合材料 　　赛隆(Sialon)是硅(Si)铝(Al)氧(O)氮(N)元素化合物的简称，最先在高技术陶瓷中得到发展，其优良性能很快得到耐火材料行业的重视，法国的Sovie公司首先将其制成赛隆结合刚玉(b-Sialon- Al2O3)耐火材料用于高炉，获得了很好的效果，被认为是高炉使用寿命15-20年以上的首选耐火材料。我国已有几个单位对此开展了研究，现在已经达到工业生产水平。我们的重点在于简化工艺、降低成本和提高质量。研究发现，在b-Sialon- Al2O3体系中加入SiC可以大幅度提高其抗渣、铁侵蚀性能和力学性能；在b-Sialon -SiC体系中加入Al2O3可以大幅度提高抗碱侵蚀性能，从而开发出b-Sialon - Al2O3-SiC三元复合材料。 　　2、镁阿隆复合材料 　　镁阿隆的英文表达式为MgAlON，是镁(M g)铝(Al)氧(O)氮(N)化合物的简称。Al和AlON(阿隆)都是优良的高技术陶瓷材料，但因前者易吸水，后者高温稳定，因此加入Mg为稳定剂而成为MgAlON材料。MgAlON具有比b -Sialon- Al2O3更优良的抗渣、铁侵蚀的性能和力学性能，因此引起了耐火材料界的重视。一些新型的耐火材料，MgAlON-刚玉和MgAlON-尖晶石复合材料已经开发出来，它们都具有良好化学和力学性能，是一类应用于还原气氛的优良耐火材料。当解决其抗氧化性a能后，将成为洁净钢冶炼的优良材料。 　　综合前面两体系材料性能的b-Sialon-MgAlON系复合材料已被开发出。毋庸置疑，这是一类值得进一步发展的材料，目前已扩展到Fe、Mn等类材料，都获得了良好的效果。此类材料具有极优越的抗渣、抗铁侵蚀性能和力学性能，而且表现出抗氧化的自愈合性能，显现出作为高级耐火材料所必备的因素。此类砖已在国内外几十座高炉的陶瓷杯使用，都是作为使用寿命12年以上的材料设计的。 　　3、不定形复合材料. 　　(1)刚玉-氮化硅高炉陶瓷杯不烧砖。由于优质、低价位氮化硅能够大量供应，使直接应用其为耐火材料成为可能。我们与中原耐火材料公司研制的刚玉-氮化硅高炉陶瓷杯不烧砖具有十分优越的物理和化学性能，生产工艺简便，且无烧砖时产生的污染，已在高炉中应用，并获得良好效果。 　　(2)氧化镁-氮化硅-金属Fe钢包渣线无碳材料。在纯净钢生产中，常用的镁碳材料已无法再作为钢包内衬使用，而一般氧化物材料又难以经得起炉渣的侵蚀，我们制成的氧化镁-氮化硅-金属硅材料具有良好的抗渣侵蚀性能。由于氮化硅具有很强的抗渣侵蚀能力和氧化后不留下空位，不降低材料的致密性和强度，其使用寿命已可和镁碳材料相媲美，是个很有使用前景的钢包无碳渣线材料。 　　(3)刚玉-氮化硅-金属供气元件。耐火氧化物制成的供气元件，通常都会由于铁水或渣渗入吹气孔而损坏。氮化硅与铁水和钢渣的界面张力很大，具有很强的抵御渣铁渗入的能力。材料中再加入金属后，不但可促进材料烧成，而且对氮化硅的氧化起保护作用。其性能已超过刚玉莫来石材料，甚至超过刚玉氧化铬材料。 　　(4)其它。当高温熔炼炉使用非氧化物氧化物复合耐火材料后，非氧化物复合喷补料也必然发展起来。相应地，以高炉铁沟料为代表的浇注料或自流浇注料同样在向非氧化物复合材料发展，含氮化硅、赛隆或镁阿隆的试验都在进行着，并已取得良好的结果。还有含氮化硅、碳化硅及铁的高炉炮泥也在积极推广中。