Nitrure de ferrosilicium FeSi3N4 : composition, formes et avantages en sidérurgie et réfractaires

Qu'est-ce que le nitrure de ferrosilicium FeSi3N4 ?

Le nitrure de ferrosilicium est un ferroalliage azoté- dans lequel l'azote est chimiquement lié à l'intérieur d'une phase de nitrure de silicium au lieu d'être transporté sous forme de gaz ou de sel nitrate. Un lot commercial est mieux décrit comme du nitrure de silicium (la phase Si3N4 qui donne son nom au matériau), du fer libre, une petite quantité de ferrosilicium non nitruré et quelques composants résiduels. Cette structure est importante dans l'atelier : l'alliage peut être stocké, pesé et chargé avec le même équipement que celui utilisé pour le ferrosilicium ordinaire, mais il délivre toujours son azote à l'intérieur du bain d'acier ou du corps réfractaire, là où l'azote est réellement nécessaire.

Les producteurs proposent normalement deux familles physiques. Le matériau réfractaire-est une poudre blanc cassé-à brune qui se mélange facilement à l'argile de coulée, aux mélanges de projection et aux briques contenant du carbone-. Le matériau de qualité sidérurgique-est un produit granulaire blanc cassé-qui se dissout rapidement et de manière prévisible dans l'acier liquide. Les deux familles sont vendues en fonction d'une spécification chimique plutôt que d'un seul chiffre d'azote, car c'est l'équilibre entre le silicium, l'aluminium et les éléments résiduels qui décide du comportement de l'additif à une chaleur donnée.

Composition typique et formes disponibles

Paramètre	Valeur typique livrée	Commentaire
Si	75%	Base riche en silicium-portant la phase nitrure
Al	1.5-2.0%	Contrôlé pour limiter les effets secondaires de la désoxydation
C	0,2% maximum	La faible teneur en carbone convient aux nuances d'acier à faible-carbone
S	0,02% maximum	Soufre maintenu à un niveau bas pour éviter la resulfuration
P	0,04% maximum	Phosphore maintenu à un faible niveau pour plus de robustesse
Formulaire	Morceau, granule, poudre	Granulé pour acier, poudre pour réfractaires
Transporteur d'azote	Phases Si3N4	Lié chimiquement, non-gazeux

La voie de la poudre convient aux producteurs de réfractaires qui ont besoin du nitrure finement dispersé à travers une matrice d'argile, d'alumine ou de carbone. La voie granulaire convient aux sidérurgistes qui ajoutent l'alliage dans une poche ou dans le flux de coulée, où une particule grossière et dense est plus facile à projeter à travers les scories et dans la masse fondue. Le matériau en morceaux est généralement utilisé lorsqu'une dissolution plus lente et échelonnée est acceptable.

Étant donné que l'azote se trouve dans un composé stable, le matériau ne perd pas son contenu actif lors d'un stockage intérieur normal et ne nécessite pas de récipients sous pression, de verrouillages de sécurité ou de conduites de gaz qui accompagnent l'injection d'azote gazeux. Cette unique caractéristique est la raison pour laquelle de nombreuses aciéries conservent le nitrure de ferrosilicium comme élément permanent pour l’alliage d’azote.

Comment l'azote atteint l'acier

Dans l'acier électrique orienté-au silicium, les ajouts d'azote interagissent avec l'aluminium pour former des particules de nitrure d'aluminium finement dispersées qui fixent les limites des grains pendant le recuit-à haute température. C'est cet épinglage qui développe la texture de grain préférée, et donc les pertes magnétiques, de la feuille finie. Le nitrure de ferrosilicium est une source pratique de cet azote car il introduit ensemble du silicium et de l'azote, tous deux recherchés dans l'analyse, et parce qu'il n'introduit presque pas de carbone ni de soufre.

Dans l’acier de construction, le mécanisme est différent mais le raisonnement est similaire. Les qualités qui dépendent des nitrures pour leur résistance, telles que le renfort HRB400 produit selon GB/T 1499.2, utilisent de l'azote avec des éléments de microalliage pour favoriser les précipités fins de nitrure et de carbonitrure. Ces précipités affinent la taille des grains de ferrite et augmentent la limite d'élasticité, ce qui permet au producteur de conserver les garanties de propriétés mécaniques de la norme tout en contrôlant le coût de l'alliage. Le nitrure de ferrosilicium est chargé dans la poche ou lors du piquage ; la récupération pratique dépend de la température de soutirage, de la pratique du laitier et de la qualité du mélange de l'addition dans le bain.

L’état de désoxydation est l’autre variable à surveiller. L'azote ajouté à un bain oxydé est en partie perdu dans les scories, de sorte que l'ajout est normalement séquencé après l'étape principale de désoxydation. La taille des granules dans la bande de 10 à 50 mm est choisie de manière à ce que les particules coulent à travers la couche de laitier au lieu de flotter dessus.

Pourquoi les producteurs de produits réfractaires l'utilisent

Dans les réfractaires monolithiques, la phase nitrure réagit en service pour former des phases de liaison d'oxynitrure de silicium et d'aluminium en forme d'aiguille sur la face de travail. Ces moustaches in situ renforcent la matrice, ferment le réseau de pores et ralentissent la progression de l'oxygène vers l'intérieur, ce qui prolonge la durée de vie de la campagne dans l'argile de coulée, les bétons coulés et les briques contenant du carbone. La forme de poudre se disperse facilement et peut remplacer une partie de la poudre de nitrure de silicium pur, plus coûteuse, dans un mélange sans reconcevoir le lot.

Un deuxième avantage est la résistance aux chocs thermiques. Les phases de liaison formées à partir du nitrure tolèrent les cycles rapides de chauffage et de refroidissement observés au niveau d'un trou de coulée de haut fourneau, de sorte que le revêtement résiste à la fissuration pendant les opérations de taraudage et de perçage plutôt que de s'effriter après quelques chauffages.

Avantages par rapport à d’autres ajouts d’azote

L'azote arrive chimiquement lié, de sorte que le stockage, le pesage et le chargement suivent les pratiques normales des ferroalliages plutôt que les règles de manipulation du gaz-.

L'additif apporte du silicium ainsi que de l'azote, qui est compatible avec l'acier au silicium et avec les pratiques tuées par le silicium.

Le carbone, le soufre et le phosphore sont maintenus à de faibles niveaux, de sorte que l'additif ne compromet pas les objectifs en matière d'acier propre.

La densité élevée des particules permet au matériau de pénétrer dans les scories et d'atteindre le bain au lieu d'être oxydé en surface.

Le même produit dessert deux marchés, de sorte qu'un producteur peut approvisionner ses clients sidérurgiques et réfractaires à partir d'une seule famille de spécifications.

La manipulation est contrôlée en poussière-sous forme de granulés et facilement mélangée sous forme de poudre, ce qui simplifie l'équipement de dosage.

Dosage, stockage et contrôle qualité

Le dosage est normalement calculé à partir de la cible d'azote de la chaleur, corrigé pour la récupération attendue de l'installation spécifique, puis vérifié par l'analyse chimique de la coulée. Étant donné que la récupération varie selon la pratique du four, la plupart des usines tiennent un registre courant du rendement en azote par chaleur plutôt que de se fier à un facteur fixe. Les producteurs de produits réfractaires travaillent généralement à partir d'un pourcentage fixe du mélange sec et vérifient les propriétés cuites du lot d'essai avant de modifier la recette de production.

Le stockage est simple mais pas facultatif. Le matériau doit être conservé dans un emballage étanche à l'humidité-sur un sol sec ; un contact prolongé avec l'eau ou l'air humide provoque un agglomération et peut hydrolyser une partie du nitrure. La rotation des stocks par lots maintient les matériaux vieillis à l'abri des températures critiques. Les marchandises sont généralement fournies dans des sacs barrière contre l'humidité de 25 kg ou dans des sacs en vrac de 1 000 kg, et chaque lot doit être accompagné d'un certificat montrant l'analyse chimique de ce lot afin que l'usine réceptrice puisse rapprocher le test livré avec l'ajout cible.

Foire aux questions

Q : Quelle est la différence entre le nitrure de ferrosilicium et le ferrosilicium ordinaire ?
Le ferrosilicium ordinaire ne contient que du silicium et du fer. Le nitrure de ferrosilicium contient la même base riche en silicium-plus de l'azote lié dans une phase de nitrure de silicium, il peut donc être utilisé pour allier l'azote en même temps que le silicium.

Q : Le nitrure de ferrosilicium peut-il être ajouté à n’importe quelle qualité d’acier ?
Il convient aux nuances qui nécessitent de l'azote, notamment l'acier électrique à base de silicium-et l'acier de construction renforcé au nitrure-. Les qualités avec un plafond d'azote serré ou une faible limite de silicium nécessitent un calcul d'addition au cas par -.

Q : Quelle forme faut-il commander : granulaire ou en poudre ?
Le matériau granulaire est utilisé pour les ajouts dans les poches et les coulées car il pénètre bien dans les scories. La poudre est utilisée dans les mélanges réfractaires car elle se disperse uniformément à travers la matrice.

Q : La teneur en azote change-t-elle pendant le stockage ?
Non, à condition que l’emballage reste scellé et que le magasin soit sec. L'azote est retenu dans un composé stable, de sorte que le dosage n'est pas perdu par évaporation comme peuvent l'être les transporteurs d'azote gazeux ou volatils.

Q : Comment le niveau d’ajout est-il décidé ?
À partir de l'objectif d'azote de la chaleur et de la récupération établi dans cette usine particulière, puis confirmé par l'analyse finale du moulage. Les utilisateurs de réfractaires fixent le niveau en pourcentage du mélange sec.

Q : Le nitrure de ferrosilicium convient-il à la production de barres d’armature ?
Oui. Le renfort renforcé au nitrure-tel que HRB400 selon GB/T 1499.2 est une application courante, où l'azote favorise la précipitation de fines phases de renforcement.