Excelente rendimiento del micropulvo de silicio-nitrógeno-oxígeno sintetizado por combustión para mejorar los beneficios de contracción generales del hormigón refractario de canal de hierro.

El micropulvo de silicio-nitrógeno-oxígeno sintetizado por combustión, desarrollado independientemente por Jiangsu Jingxin New Material Co., Ltd., es un proyecto clave nacional de investigación y desarrollo del Ministerio de Ciencia y Tecnología. Este producto puede utilizarse ampliamente en materiales refractarios carbonosos, como hormigones refractarios para canaletas de hierro, arcilla para orificios de colada, ladrillos de carburo de silicio unidos con nitruro de silicio y productos refractarios de alúmina-carbono. Este micropulvo posee las siguientes propiedades excelentes: 1. Alta conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica, estructura estable y excelente resistencia al choque térmico. 2. Alta dureza Mohs, que exhibe una excelente dureza y resistencia al desgaste. 3. Gran ángulo de humectación con metal fundido y escoria, y excelente estabilidad química, lo que proporciona una buena resistencia a la erosión por metal fundido y escoria. 4. Fuerte resistencia a la oxidación; al formar una película de óxido densa, los productos generados rellenan eficazmente los poros y dificultan la entrada de oxígeno.

Cuando se aplica a los refractarios para canaletas de hierro, la cantidad añadida es de aproximadamente un 3%, lo que puede aumentar la resistencia a la flexión a alta temperatura del refractario en más de un 40%, incrementar el índice de resistencia a la erosión por escoria en más de un 25%, reducir el índice de oxidación en más de un 30% y mejorar la resistencia al choque térmico en más de un 35%. Esto mejora integralmente el rendimiento general de la canalización de hierro y aumenta significativamente los beneficios económicos generales de la contratación de dicha canalización. Los resultados de la aplicación en campo de más de diez fabricantes nacionales de materiales refractarios para canaletas de hierro muestran que puede aumentar el rendimiento de hierro entre un 8% y un 25%.

I. Descripción general del micropulvo de silicio-nitrógeno-oxígeno

La distribución del tamaño de partícula del micropulvo se muestra en la Figura 1. Se puede observar que el micropulvo presenta una distribución con múltiples picos, con un D50 de 3,05 μm.

Figura 1. Resultados del análisis del tamaño de partícula del micropulvo de silicio-nitrógeno-oxígeno

Los resultados del análisis de difracción XRD del micropolvo de silicio-nitrógeno-oxígeno se muestran en la Figura 2. Se puede observar que las principales fases cristalinas del micropolvo de silicio-nitrógeno-oxígeno son el nitruro de silicio (α-Si3N4, β-Si3N4) y el oxinitruro de silicio (Si2N2O), así como cantidades traza de Si.

Figura 2. Patrón de difracción de rayos X del micropulvo de óxido de silicio y nitrógeno.

La microestructura del polvo de silicio-nitrógeno-oxígeno se muestra en la Figura 3. Se puede observar que el polvo de silicio-nitrógeno-oxígeno se presenta principalmente en forma de varillas, columnas cortas y gránulos irregulares.

Figura 3. Imagen SEM de micropartículas de silicio-nitrógeno-oxígeno.

II. Diseño experimental y preparación de muestras

Partiendo de la muestra sin micropartículas de silicio, nitrógeno y oxígeno, se prepararon cinco grupos de muestras añadiendo diferentes fracciones de masa (1%, 2%, 3% y 5%) de dichas micropartículas. Las mezclas de muestras se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1 Proporciones experimentales

III. Resultados experimentales

3.1 Adición de agua

Figura 4. Efecto de la cantidad de adición de micropartículas de silicio-nitrógeno-oxígeno en la cantidad de agua añadida a la muestra.

Como se muestra en la Figura 4, la adición de polvo de nitruro de silicio-oxígeno ayuda a reducir la cantidad de agua necesaria para la fabricación del material refractario. Esto se debe a que el polvo de nitruro de silicio-oxígeno es más fino que el polvo de corindón, lo que permite rellenar eficazmente los huecos del sistema y optimizar la distribución del tamaño de partícula, reduciendo así la cantidad total de agua requerida para la fabricación del material refractario.

3.2 Resistencia al frío

Como se muestra en la Figura 5, las resistencias a la compresión y a la flexión alcanzan sus valores máximos cuando se agrega un 3 % de polvo de nitruro de silicio-oxígeno: las resistencias a la flexión y a la compresión de la muestra cocida a 1100 ℃ aumentaron un 27,9 % y un 42,3 %, respectivamente; las resistencias a la flexión y a la compresión de la muestra cocida a 1500 ℃ aumentaron un 24,1 % y un 26,0 %, respectivamente.

Figura 5. Resistencia a la flexión en frío y resistencia a la compresión de las muestras después de diferentes tratamientos térmicos.

3.3 Resistencia al choque térmico

Figura 6. Tasa de retención de la resistencia a la flexión de la muestra después del choque térmico posterior al calentamiento.

Con el aumento de la cantidad de polvo de nitruro de silicio-oxígeno, la resistencia al choque térmico de las muestras mejoró significativamente. La tasa de retención de la resistencia a la flexión después de tres choques térmicos por enfriamiento al aire tras la cocción a 1100 ℃ aumentó del 68,5 % al 99,8 %; la tasa de retención de la resistencia después del choque térmico tras la cocción a 1500 ℃ aumentó del 65,1 % al 88,3 %.

3.4 Resistencia a la flexión a alta temperatura

Figura 7. Efecto de la adición de micropartículas de silicio-nitrógeno-oxígeno sobre la resistencia a la flexión a alta temperatura.

Las muestras tratadas a 1100 °C mostraron la misma tendencia que las tratadas a 1500 °C. Tras el tratamiento a 1100 °C, la resistencia a la flexión a alta temperatura sin polvo de nitruro de silicio-oxígeno fue de 2,68 MPa. Al añadir un 3 % de polvo de nitruro de silicio-oxígeno, la resistencia a la flexión a alta temperatura alcanzó los 5,39 MPa, lo que representa un incremento del 101,1 %. La resistencia a la flexión a alta temperatura de las muestras sinterizadas a 1500 °C siguió siendo la más alta con la adición del 3 % de polvo.

3.5 Propiedades antioxidantes

Figura 8. Efecto de la cantidad de micropartículas de silicio-nitrógeno-oxígeno añadidas sobre las propiedades antioxidantes.

Como se muestra en la figura, la adición de polvo de silicio-nitrógeno-oxígeno mejora significativamente las propiedades antioxidantes de la muestra. El área de la capa descarburizada se minimiza cuando la cantidad añadida es del 3 % al 5 %.

3.6 Resistencia a la erosión por escoria

Figura 9. Efecto de la cantidad de micropartículas de silicio-nitrógeno-oxígeno añadidas sobre el rendimiento de resistencia a la escoria.

Como se muestra en la figura anterior, la adición de polvo de silicio-nitrógeno-oxígeno mejora significativamente la resistencia a la erosión por escoria de la muestra. Sin la adición de este polvo, casi toda la escoria reacciona o penetra en la muestra. Cuando la cantidad añadida es del 3%, la cantidad de escoria restante es máxima y las áreas de la capa de erosión y penetración se minimizan. Cuando la cantidad añadida es del 5%, las áreas de la capa de erosión y penetración aumentan en comparación con el 3%.

IV. Análisis y discusión

4.1 Análisis de fases por difracción de rayos X

Se realizó un análisis de fases por difracción de rayos X (DRX) en la porción de matriz de la muestra tratada a 1500 ℃ (Figura 10). La figura muestra claramente los siguientes cambios significativos en las fases con el aumento del polvo de silicio-nitrógeno-oxígeno: (1) La fase O'-sirón aumenta gradualmente; (2) La fase de mullita aumenta gradualmente; (3) Correspondientemente, la fase de alúmina disminuye gradualmente.

Figura 10. Efecto de la adición de micropartículas de óxido de silicio y nitrógeno sobre el cambio de fase de la matriz.

4.2 Análisis de la microestructura

La Figura 11 muestra imágenes SEM de las muestras después de la calcinación a 1100 °C. Se observa que, debido a la temperatura de calcinación relativamente baja, la sinterización de la matriz de la muestra SN0 no es evidente, lo que resulta en una unión relativamente débil entre los materiales y poros grandes dispersos en la matriz. En comparación con la muestra SN0, la muestra SN3 es más densa, con una cantidad significativamente menor de poros grandes en la matriz. Esto se debe, en parte, a la adición de polvo de nitruro de silicio que rellena los poros internos de la muestra, lo que resulta en una mayor densidad de la matriz; en segundo lugar, la adición de polvo de nitruro de silicio promueve la reacción de sinterización, iniciándola antes y con mayor vigor. La expansión y los productos generados por la reacción pueden rellenar algunos de los poros, inhibiendo así la entrada de oxígeno y mejorando la densidad y la resistencia del material.

Figura 11. Imagen SEM de la muestra después del tratamiento térmico a 1100 °C.

Las muestras tratadas a 1500 °C se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido. La figura 12 muestra que, sin la adición de polvo de nitruro de silicio, solo existe una pequeña cantidad de mullita granular fina en la matriz. Con la adición de un 3 %, se observan fases de mullita columnar bien definidas en la matriz. La muestra SN3 contenía fases de O'-Serone tubulares y filamentosas bien diferenciadas.

Figura 12. Imágenes SEM de las muestras SN0 y SN3 después del tratamiento a 1500℃.

Los filamentos y cristales columnares generados in situ, mencionados anteriormente, rellenan la matriz de la muestra, proporcionando un buen efecto de anclaje y uniendo las fases. Esto fortalece significativamente la estructura de la muestra, mejora su resistencia y tenacidad y, en consecuencia, aumenta notablemente su resistencia a la flexión a altas temperaturas, su resistencia al choque térmico, su resistencia a la erosión por escoria y su permeabilidad.

V. Conclusiones

1. El micropulvo de sílice-nitrógeno-oxígeno puede mejorar significativamente la resistencia a la flexión a alta temperatura, la resistencia al choque térmico y la resistencia al frío de los refractarios moldeables de hierro.

2. El micropulvo de sílice-nitrógeno-oxígeno puede mejorar en gran medida la resistencia a la oxidación y la resistencia a la permeabilidad a la erosión de la escoria de los hormigones refractarios.

3. La introducción de micropartículas de sílice-nitrógeno-oxígeno puede aumentar la cantidad de hierro en el canal de colada del alto horno entre un 8 y un 25 %.