我国是钢铁生产及消费大国，钢铁年产10亿吨左右，生铁产能约8亿吨，其中耐火材料吨铁、吨钢消耗也是影响成本关键因素之一。高温行业的发展，离不开耐材行业的发展。按照生铁年产8亿吨，高炉出铁场工作衬层耐材平均吨铁耗材0.6千克计算，年约消耗48万吨这种耐材。在目前碳中和、碳达峰大背景下，耐材的发展以节能降耗、环保为方向，要求技术不断进步和提升。
本文介绍了耐火级氮化硅微粉研发特性及在高炉出铁场耐材中的应用情况。
原位SiAlON
结合刚玉碳化硅出铁沟浇注料
若开始原材料中含有Si3N4和Al2O3 ，在保证氮化硅不发生氧化的条件下，如在埋碳的条件下，可发生反应生成Si3Al3O3N5（SiAlON）。
直接原位制备SiAlON 结合刚玉碳化硅复合耐火材料，可以采用加入金属调整材料的基质组成，在氮气氛条件下进行原位反应烧结；也可以通过加入氮化硅的方法，在还原条件下，借助于反应式进行反应形成SiAlON基质。
试样中，氮化硅固溶到氧化铝中形成SiAlON，提高试样的强度，SiAlON是Si3N4中Si和N原子分别被Al和O部分置换后形成的固溶体，它不仅具有Si3N4的强度、耐热性和硬度，而且比Si3N4具有更好的化学稳定性、韧性和抗氧化性。
产品研发特性特征
本研究中的Si3N4粉体是通过自蔓燃法合成的氮化硅粉体，系江苏晶鑫新材料股份有限公司与中科院理化所联合开发的耐火级氮化硅。
氮化硅属六方晶系，有颗粒状的α-Si3N4和针状的β-Si3N4两种晶型：α-Si3N4为低温晶型，β-Si3N4为高温晶型。两种元素电负性相近，氮化硅晶体中Si-N之间以共价键结合。
氮化硅热膨胀系数小、抗热震性好、导热系数大，高强度、高硬度、弹性模量大，耐腐蚀、耐高温、耐磨损，密度低、比重小，具有良好的热稳定性、抗蠕变性能和化学稳定性，机械自润滑、表面摩擦系数小，抗氧化性能极好。
耐火级Si3N4粉体的特性
耐火级氮化硅粉体的主要成分为氮化硅，有一定量的二氧化硅、少量的金属硅和氧化铁，比表面积为1.693 m2/g。
耐火级氮化硅粉体
在高炉出铁场耐材中应用
为了进一步提高出铁沟的高温使用性能，有关人员在铁沟料中加入了高纯氮化硅，发现可以生成SiAlON相，既可以提升材料的抗渣性，又可以增强材料的力学性能；也有人加入了氮化硅铁……
本研究通过配比不同成分的铁沟料（如表1所示），研究试样的常温抗折强度和经过不同热处理温度后的试样在1400℃时的抗折强度（图1和图2）。研究结果表明，通过加入耐火级氮化硅粉的试样（FH8）对热态抗折强度的提升效果最好，说明这两种状况下复合粉对试样1400℃下热态抗折强度的提升作用大于高纯氮化硅，而加入氮化硅铁的试样（NF8）相对于空白样的热态强度还有所下降。
通过比较发现：引入耐火级氮化硅粉对铁沟料的高温强度及抗渣性有明显的提升，且与高纯氮化硅的综合作用相当。
为了验证应用效果，河北昊兴耐火炉料有限公司等在高炉出铁场摆动溜槽浇注料原配方基础上，增加5%的耐火级氮化硅微粉和抗氧化剂，纯铝酸钙水泥含量降低到1.5%以下。通过在大中型高炉现场实践应用结果表明：高温耐抗冲刷性能改善明显，一次使用寿命较之前有明显提高，提升幅度为15%~20%，材料综合消耗量显著降低。在大中型高炉主铁沟及撇渣器浇注料上应用时，在原配方基础上，增加了3%~5%耐火级氮化硅微粉、0.5%ρ－氧化铝，将纯铝酸钙水泥用量降低到1%，高温抗折强度较原配方提高10%左右。现场应用结果表明，一次使用寿命较之前提高10%~15%，材料综合消耗量显著降低。
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