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利用铁尾矿合成Si3N4 粉
2011-07-26
在热力学分析的基础上,以铁尾矿为主要原料,采用碳热还原氮化法合成了Si3N4 粉. 研究了合成温度和N2 流量对反应过程的影响,利用X 射线衍射法、扫描电镜等检测了产物的组成及显微结构. 结果表明,随着合成温度的 升高,产物中Si3N4 相增多,1450℃时Si3N4 相最多,且晶粒多呈等轴柱状或短棒状,此温度是最佳的合成温度. N2 流量增加有利于还原氮化反应进行,600 mL/min 较适宜. 合成过程中SiO 气体的挥发导致试样质量损失较大.
第8 卷第6 期 过 程 工 程 学 报 The Chinese Journal of Process Engineering Vol.8 No.6 Dec. 2008 2 008 年 12 月 利用铁尾矿合成Si 3 N 4 粉 1 2 1 3 3 张淑会 , 康志强 , 吕 庆 , 薛向欣 , 黄大威 ( 1. 河北理工大学冶金与能源学院,河北 唐山 063009;2. 河北理工大学资源与环境学院,河北 唐山063009; . 东北大学材料与冶金学院,辽宁 沈阳 110004) 3 摘 要:在热力学分析的基础上,以铁尾矿为主要原料,采用碳热还原氮化法合成了Si 流量对反应过程的影响,利用X 射线衍射法、扫描电镜等检测了产物的组成及显微结构. 结果表明,随着合成温度的 升高,产物中 Si 相增多,1450℃时 Si 相最多,且晶粒多呈等轴柱状或短棒状,此温度是最佳的合成温度. N 2 流量增加有利于还原氮化反应进行,600 mL/min 较适宜. 合成过程中SiO 气体的挥发导致试样质量损失较大. 关键词:铁矿石尾矿;碳热还原氮化;Si ;合成温度;N 流量 文章编号:1009−606X(2008)06−1153−05 3 4 2 N 粉. 研究了合成温度和N 3 N 4 3 N 4 3 N 4 2 中图分类号:TB321 文献标识码:A 3 4 原氮化法合成 Si N 粉末,并研究了合成温度和氮气流 量对产物相组成及显微结构的影响. 1 前 言 基于 Si 其合成理论与合成方法的研究也越来越多1−3],其中碳 3 N 4 材料诸多的优异性能和广泛的应用,对 [ 2 热力学分析 热还原氮化法最经济、最具有前途. 用于碳热还原氮化 碳热还原氮化法合成Si 3 N 4 反应的初始原料为SiO , SiC 和Si O,参与 , SiO, CO 和 CO . 表 1 为 2 , 合成 Si 于开发各种价格低廉、来源广泛的天然原料、工业原料 或工业废渣等来合成Si 粉以提高产品的市场竞争力. 3 N 4 的原料很多,但为了降低成本,现今已致力 C 和N 2 ,可能生成的产物为Si 3 N 4 2 2 N 反应的气相主要有 N 2 , O 2 2 3 N 4 Si−C−O−N 体系可能发生的与气氛有关的部分平衡反应 及平衡常数K 与温度T 的关系式,可见整个反应过程主 [ 4,5] [6] [7] 目前利用海泡石 、高岭石 、叶腊石 等为原料 碳热还原氮化合成 Si 粉末已有文献报道,但迄今为 止,国内外还未见关于利用铁尾矿合成Si 粉的报道. N 4 要涉及 Si−C−O−N 体系. 为确定合成 Si 反应温度和气氛条件,绘制了体系的优势区域图. 根据 表 1 中反应(1)~(5)的 lgK−T 关系式计算得到 O 分压与 相稳定性的关系见图1. 由图可见,在1647~1600 K, 当O 处于稳定 分压低于10−20.29~10−20.70 MPa 时,Si (20%左右) 态,反之易生成Si O. 等氧化物组成. 其中的SiO 3 4 N 粉末所需的 3 3 4 N 铁尾矿由于成分复杂,现有的利用方法如有价元素的综 合回收等多存在处理成本高、技术效果不明显和二次污 染等问题,难以实现工业化. 据调查,辽宁鞍山及河北 2 2 3 4 N 冀东地区铁尾矿主要由SiO 2 及少量CaO, MgO, Al 可 以作为合成Si 粉的主要原料. Narciso-Romero 等 关 (65%左右), Fe 2 2 O 3 2 2 N 2 O 3 T (K) 1500 [ 8] 3 N 4 1700 1600 1400 - - - 14 16 18 于氧化物杂质对合成 Si 基陶瓷粉末影响的研究表明, 原料中的碱和碱土金属不会对Si 的转化率有明显影响, SiO2 Al 碱土金属可与 SiO C 接触更加紧密,从而有利于合成反应的进行. 铁尾矿属于冶金工业固体废弃物之一,与合成 的常规原料石英砂相比,价格极其低廉且储量巨 大,利用其合成Si 不但可以节约石英砂类工业原料, 2 O 3 的存在也不对合成反应产生影响. 在反应过程中 Si2N2O 形成液态玻璃质而使试样中 SiO 2 和 -20 2 - - 22 24 SiC Si3N4 Si N 3 4 5 .6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 3 N 4 −1 4 −1 T (×10 K ) 分压与相稳定性的关系 Fig.1 Phase stability diagram as a function of pressure of O at p 2=0.10 MPa 而且还可开拓铁尾矿综合利用的新途径. 基于上述分 析,本研究从资源综合利用的角度出发,在热力学分析 的基础上,以冀东高硅铁尾矿为主要原料,采用碳热还 图1 O 2 2 N 收稿日期:2008−07−18,修回日期:2008−09−23 基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:50574030);河北省自然科学基金资助项目(编号:E2008000396) 作者简介:张淑会(1976−),女,河北省定州市人,博士,副教授,从事钢铁冶金及冶金资源综合利用研究,E-mail: zhang_shts@163.com. 1154 过 程 工 程 学 报 第8 卷 [ 9-11] 表1 Si-C-O-N系统部分平衡反应及其lgK [ 9−11] Table 1 Part of equilibrium reactions and lgK of Si−C−O−N system Reaction No. Equilibrium reaction (s)+1/3N2(g)=2/3Si 4SiC(s)+O2(g)+2N2(g)=2Si (s)+3O2(g)=4SiO2(s)+2N2(g) lgK ( ( ( ( 1) 2) 3) Si 2 N 2 O 3 N4(s)+1/2O2(g) lgK 1 lgK 2 lgK 3 lgK 4 lgK 5 lgK 6 lgK 7 lgK 8 lgK 9 =−2167/T−8.83 2 N 2 O(s)+4C =−53548/T−12.22 =−119337/T−22.04 =−92754/T−3.92 =−36910/T−22.41 =−11864/T−13.32 =−20652/T−10.50 =−41302/T−24.18 =−56021/T−29.61 2 2 2Si N O 4) 5) Si Si 3 3 N N 4(s)+3O2(g)=3SiO2(s)+2N2(g) 4(s)+3C(s)=3SiC(s)+2N2(g) 1 ) ( ( ( ( ( 6) 7) 8) 9) 2Si 2SiC(s)+CO(g)+N2(g)=Si 3 N 4(s)+3CO(g)=3Si 2 N 2 O (s)+N2(g)+3C (s)+3C(s) 2 O(s)+3CO(s)=2SiO2(g)+N2(g)+3C 4(s)+6CO(g)=3SiO2(s)+2N2(g)+6C 2 2 N O Si Si 2 3 N N ( ( ( 10) 11) 12) SiO2(s)+C(s)=SiC(s)+O2(g) lgK10=−43221/T−8.57 lgK11=−26803/T−8.72 lgK12=−20648/T−0.03 SiO2(s)+CO(s)=SiO(g)+CO2(g) C(s)+CO2(g)=2CO(g) 2 Note: 1) There are not O , SiO and CO. T (K) 3 2 1 800 1700 1600 1500 Si3N4 1400 1 Si3N4 Si2N2O 0 1 2 1 SiC 0 - - lg(pO2/p0) 21 −22 SiC − -1 T (K) 1973 SiO2 -15 Si2N2O 1673 - 2 -25 5 .5 6.0 6.5 7.0 -20 -10 −1 4 −1 lg(pO2/p0) T (×10 K ) 图2 N2 分压与相稳定性的关系 Fig.2 Phase stability diagram as a function of pN2 图3 N2 和O2 分压的关系 Fig.3 Relationship between pN2 and pO2 由反应(1), (2), (5)计算得到的 N 的关系如图2 所示. 由反应(1)~(3), (5)和(10)可以计算得 到体系O 分压和N 分压与相稳定性的关系,见图3. 结 合图2 和3 可知,N 分压升高,Si 失稳生成SiC 的 反应温度亦升高,而 Si O 两相平衡的 N 压随系统O 分压的降低而下降. O 分压降低越多Si 越稳定. 同一温度条件下,N 越稳定. 因此在合成Si 时,应尽量避免N 分压降低. 如设备 分压,以便提高合成温度, 2 分压与相稳定性 3.2 实验设备 振动制样机(河北理工大学机械中心组装),AE163 型电子天平(瑞士梅特勒公司,称量精度0.001 g),聚氨 酯球磨罐(沈阳化工仪器厂),DHG-9625A 型干燥箱(上 海精密仪器仪表有限公司),769YP-15A 型粉末压片机 2 2 2 3 4 N 3 N 4 和 Si 2 N 2 2 分 2 2 N 3 4 2 (天津科器高新技术公司),立式MnSi 高温电阻炉(河北 2 分压越高,Si 3 N 4 理工大学组装),XMTA-1 型温控仪(上海亚太精密仪表 厂),SPJX-3-9 型马弗炉(武汉亚华电炉有限公司). 3.3 实验过程 3 N 4 2 条件许可,应适当提高 N 增加反应速率. 2 首先用振动制样机将铁尾矿破碎细磨至小于 200 目(75 µm). 以铁尾矿中的 SiO 为基准,根据碳热还原氮化SiO 2 含量及碳黑中的固定碳 3 实 验 2 生成Si 的总反应方 3 4 N 3 .1 材料 实验所用主要材料冀东高硅铁尾矿(滦县九百户镇 程式3SiO2(s)+6C(s)+2N2=Si3N4(g)+6CO(g),按C/SiO2(摩尔 比)为2 称量配料. 樱花铁矿)的主要成分如表2 所示,碳黑(抚顺石油公司) 粒度为30~40 nm,固定碳含量为96.68%(ω),氮气浓度 将配制好的混合料置于球磨罐中,以无水乙醇为介 质湿混 24 h,然后将浆料放入干燥箱中于 60℃充分干 燥,再干混4 h,以确保混合料充分均匀. 将混合料放入 干燥箱中于 110℃干燥 2 h,除去其中残留的水分和无 水乙醇,得到坯料. 称取一定量坯料放入钢模中,机压 制成φ15 mm×5 mm 的圆坯. 将素坯装入底部和侧壁均 > 99%(ϕ). 表2 实验用铁尾矿主要成分 Table 2 Composition of iron ore tailing (%, ω) SiO 2 Fe 2 O 3 CaO Al 2 O 3 MgO MnO K 2 O Burning loss Total 6 5.67 27.90 0.92 0.45 0.95 0.19 0.25 2.64 98.97 第6 期 张淑会等:利用铁尾矿合成Si 3 N 4 粉 1155 开有小孔的石墨坩埚中,置于MoSi 2 电阻炉恒温带,由 于高温下原料中的C 损失过多使参与碳热还原的C 减 少造成的. 由上述分析可知,1450℃的产物中 Si 多,是比较理想的合成温度. 产物中 Fe Si 相的出现是 因原料中杂质Fe 和SiO 及C 反应形成了Fe−Si 固溶 体 ,随着温度的升高呈现不同程度的增减,但受温度 影响不大. Fe Si 的存在会降低陶瓷材料的抗磨损性能 和蠕变性能 ,而 Fe 是碳热还原法合成 SiC 的良好 含量有一个最佳值. 本实验 含量较高,其对合成过程及产物性能 炉底连续通入氮气(>99%),常压下以5℃/min 升温至合 成温度后开始计时,恒温8 h,再以约4℃/min 速度降 温冷却,至室温后取出试样. 合成温度范围为 1250~ 3 4 N 较 x y 2 O 3 2 [ 12] 1 500℃,N 马弗炉于600℃空气中恒温4 h,去除残余的游离碳. .4 分析方法 采用日本理学D/MAX-RB 型X 射线衍射仪(XRD) 进行物相组成分析,测试条件为 Cu 靶 Kα辐射,波长 2 流量400~1200 mL/min. 将合成的样品置于 x y [ 8] 3 2 3 O [ 13] 2 3 催化剂 ,但原料中 Fe O 所用原料中Fe O 3 2 0 8 .15406 nm,工作电压40 kV,电流50 mA,扫描速度 的影响有待进一步研究. o o o o /min,步长0.02 ,扫描范围2θ=10 ~70 . 4.2 合成温度对产物显微形貌的影响 将少许粉末样品和分散介质(无水乙醇)置于小烧杯 图 5 为不同温度下合成试样的 SEM 照片. 由图可 见,随合成温度的升高,合成粉末的颗粒形貌变化很大. 1250℃时,有许多细小不规则杆状晶粒[图5(a)],经EDS 中,经超声波振荡分散制成悬浮液. 取少许悬浮液滴在 抛光的铜质样品座表面并晾干,用SBC-2 试样表面处理 机喷镀约 10 nm 厚的一层金,然后用日本岛津公司 SSX-550 型扫描电镜(SEM)观察产物的显微形貌,并结 合相应的能量散射谱(EDS)进行微区成分分析. 分析为Si 粒逐渐长大但数量逐渐减少,同时不规则状 Si 增多,如图5(b)∼5(d)所示. 1450℃时合成的粉末中Si 晶粒最多,且呈等轴柱状或短棒状,少数呈不规则形状 图 5(e)],其中等轴状 Si 晶粒和杆状 Si O 晶粒的 EDS 图谱如图6 所示. 1500℃时Si 晶粒尺寸增大, 且由于温度较高许多晶粒烧结聚集在一起,这与文献 14]的研究结果一致. .3 N 流量对合成过程的影响 由热力学分析可知,在温度一定的条件下,气氛是 合成单相 Si 的关键因素. 而在 Si−C−O−N 体系的气 氛中,N 是唯一可控制的因素,故在1450℃、恒温8 h 的条件下研究了不同 N 流量对合成产物的影响. 图 7 为不同N 流量产物的XRD 图谱,试样的质量损失如图 2 N 2 2 O. 1300~1400℃时合成的粉末中Si N 2 O 晶 3 4 N 晶粒 3 N 4 4 分析与讨论 [ 3 N 4 2 2 N 3 4 N 4 .1 合成温度对产物相组成的影响 2 图 4 是试样分别在 1250~1500℃和 N 气氛(600 [ mL/min)下,恒温8 h 后产物的XRD 图谱. 由图可知, 不同合成温度下产物相组成有很大差别. 合成温度较低 4 2 时(<1400℃),产物中主要物相为Si 2 N 2 O, Si O 相多于Si 相. 结合表1 时的中间产物,这说明较低 3 4 x y N 和Fe Si 3 4 N ( Fe 5 Si 3 或FeSi),其中Si 2 N 2 3 4 N 2 可知,Si N 2 3 O 是合成Si N 4 2 温度下碳热还原氮化反应进行得不完全. 1250℃时 Si O 最多,随温度升高Si O 逐渐减少,Si 逐渐 增多,1400℃时 Si 超过 Si O,随后 Si 迅速增 多,1450℃时最多,因此,提高温度有利于Si 的合 2 2 N 2 3 4 N 2 2 N 2 8 所示. 由图 7 可见,适当提高 N 含量. 当N 流量为400 mL/min 时,产物中主要物 及少量的 Si O 和 Fe Si . 另外,该条件下 产物的 XRD 图谱背底很高,说明产物中存在大量非晶 相. 这是由于此时N 流量较低,体系中产生的液相不能 被充分氮化,在随后的降温过程中液相以玻璃相的形式 保存下来. 当 N 流量增大到 600 mL/min 时,产物中 Si 明显增多,非晶相很少. 由于 N 大气接通,N 流量增大虽对体系的 N 响,但可促进 N 得更充分,故产物中非晶相明显减少,且Si 3 N 4 2 N 2 3 4 N 2 流量有利于提高产物中 3 4 N Si 3 N 4 2 成. 1500℃的产物中Si 3 N 4 相又有所减少,这可能是由 相为 Si 3 N 4 2 N 2 x y ● ● ● ● Si3N4 △Si2N2O ○FexSiy ◇ Fe2O3 ○ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 1500℃ ●●● ●● ●● △ ● ● ● ● ● 2 ● ●● 1450℃ ● ●● ●● ● ● ● ● ●○ ○ ●● △ ● ●● △ ● ● ● △△● 2 1400℃ ● ●○ ●●△△●△●△● △ ●● ● ●● △△ ○●● △ ○ 3 N 为连续通入且与 △ 4 2 △ ● ● ●△△● ●△● 1350℃ △ ● △△ ● ● ● ●○◇ ● ●△● ◇ ●● ● ● ● ○ 2 2 分压基本没有影 △ △ △ ● ○ ● ● ●○◇ ● △△● ●△● ○ 1300℃ ● ●●● ◇ ●● △●●△△ 2 扩散进入试样,从而使氮化反应进行 △ △ △ ● △ ○○ △ ● ● ● 1250℃ ○ ●△◇ ●△△ ● ● ● ● ● ● ●○◇ ● △● ●● ◇ 2 2 N O 随N 2 4 10 20 30 40 50 60 70 2 3 流量增加也明显减少. 继续增大 N 流量,产物中 Si N 含量变化不大. o 2θ ( ) 图4 不同温度合成试样的XRD 图谱 Fig.4 XRD patterns of reaction products prepared at different temperatures 3 4 根据热力学分析,合成Si N 的反应总是伴随着CO 气体的生成,欲使反应不断进行,CO 分压必须保持低 1156 过 程 工 程 学 报 第8 卷 ( a) 1250℃ (b) 1300℃ (c) 1350℃ ( d) 1400℃ (e) 1450℃ (f) 1500℃ 图5 不同温度恒温8 h 合成粉末的SEM 照片 Fig.5 SEM images of powders synthesized at different temperatures for 8 h Si ( a) Si3N4 Si 5 00 00 00 00 00 0 500 400 300 200 100 0 (b) Si2N2O 4 3 2 1 N O N 0 .5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Energy (keV) Energy (keV) 图6 Si 3 4 2 2 N 和Si N O 晶粒的EDS 图 Fig.6 EDS spectra of Si3N4 and Si2N2O grains ● ● 6 6 5 0.5 0.0 9.5 ● ○ ● Si3N4 △Si2N2O ○FexSiy ● ● ● ● ● ● ● △ ● ● ● ●● ● ● ● ● ○ △ ● ● ●●●●● ● ● ● 1200 mL/min ○ ● ● ● ● ● ● ●● ●●●●●● △ △● ● ○ ● ● ● 8 00 mL/nin ○ ● ● ● ●6●0●0●m●●L/min ● ● ●●○ △ △● ● ● ● ● ○ 4 00 mL/min ● △△●△● △ ● ● △ ● 59.0 ● ●●● ●●●●●● ● ● ○ 1 0 20 30 40 50 60 70 400 500 600 700 800 900 1000 N2 flow rate (mL/min) o θ ( ) 2 图7 不同N2 流量下产物的XRD 图谱 图8 试样的质量损失率随N2 流量的变化 Fig.7 XRD patterns of reaction products with Fig.8 Mass loss rate of reaction products with different N 2 flow rates 2 different N flow rates 第6 期 张淑会等:利用铁尾矿合成Si 3 N 4 粉 1157 于其平衡分压. 如果试样内部 CO 达到平衡分压,则生 成 Si 的反应难以继续进行. N 在反应中一方面供生 成Si 需要,另一方面将反应系统内部分气体产物(如 CO 等)带出炉外. N 流量较低时,试样内部的一些孔隙 中产生的CO 气体不能及时排除,局部CO 分压易达到 平衡分压,因此对氮化不利;提高 N 流量有利于降低 试样内部的 CO 分压,从而有利于 Si 生成;但其流 量不能过大,否则会导致试样的质量损失增大,不利于 Si 生成. 此外,由图 8 可知,随 N 损失率明显增大,且均超过44.4%的理论值. N 影响试样质量损失率的重要因素. 增大 N 流量使被携 体系,造成试样质量损失较大. 参考文献: 3 N 4 2 [ 1] Mazdyasni Consolidation of Si Am. Ceram. Soc., 1973, 52(12): 628−633. [2] 李文兰,符锡仁,黄校先,等. 用氧化硅合成α-Si J]. 硅酸盐学报, 1983, 11(4): 469−472. K S, Cooke C M. Synthesis Characterization and 3 N 4 3 N 4 Obtained from Ammonialysis of SiCl 4 [J]. J. 2 3 4 N 粉末的研究 [ 2 [ 3] 丘泰,徐洁,龚亦农,等. 碳热还原法合成 Si N 的研究 [J]. 硅 3 4 3 N 4 酸盐通报, 1995, (5): 14−19. [4] Arik H, Saritas S, Gündüz M. Production of Si3N4 by Carbothermal Reduction and Nitridation of Sepiolite [J]. J. Mater. Sci., 1999, 34(4): 3 4 N 8 36−842. 5] Kurt A O, Davies T J. Synthesis of Si Sources of Carbon [J]. J. Mater. Sci., 2001, 36(24): 5898−5901. 6] Han B Q, Li N. Preparation of β-SiC/Al Composite from Kaolinite Gangue by Carbothermal Reduction [J]. Ceram. Int., 2005, 31(2): 27−231. 2 流量增大,试样的质量 流量是 [ [ 3 4 N Using Sepiolite and Various 2 2 O 3 2 带出体系的SiO 明显增加,进而使体系中SiO 分压降低, 促进反应(11)进行,导致更多的 SiO 从体系逸出,从而 加大试样的质量损失. 综合上述分析,600 mL/min 是比 2 [ [ 7] Sujirote K, Leangsuwan P. Silicon Carbide Formation from Pretreated Rice Husks [J]. J. Mater. Sci., 2003, 38(23): 4739−4744. 8] Narciso-Romero F J, Rodríguez-Reinoso F, Díez M A. Influence of the Carbon Material on the Synthesis of Silicon Carbide [J]. Carbon, 2 较合适的N 流量. 1 999, 37(11): 1 771–1 778. 9] 丘泰,徐洁,李远强,等. SiO J]. 无机材料学报, 1995, 10(3): 326−330. 10] 丘泰,何旭初,徐洁,等. 碳热合成 Si 探 [J]. 硅酸盐学报, 1995, 23(5): 539−544. [11] 李文超. 冶金与材料物理化学 [M]. 北京:冶金工业出版社,2001. 5−76. 5 结 论 [ [ 2 2 −C−N 系统中气相对相稳定的影响 [ ( 1) 在热力学分析的基础上,以铁尾矿、碳黑为原 3 4 N 粉工艺中的热力学初 3 4 料,采用碳热还原氮化法合成了 Si N 陶瓷粉末,开拓 了铁尾矿综合利用的新途径. 7 ( 2) 1450℃时,产物中 Si 的合成温度. 此时,合成粉末中的 Si 柱状或短棒状. 超过1450℃,产物中Si 3) 增大N 有利于Si 生成. 但N 量损失,600 mL/min 是较合适的N 4) 合成过程中产生的SiO 气体被流动的N 3 N 4 相较多,是比较理想 [ [ [ 12] Siddioi S A, Hendry A. The Influence of Iron on the Preparation of Silicon Nitride from Silica [J]. J. Mater. Sci., 1985, 20(9): 3 N 4 晶粒多呈等轴 3 N 4 含量降低. 3 230−3238. 13] Chen C Y, Lin C I, Chen S H. Kinetics of Synthesis of Silicon Carbide by Carbothermal Reduction of Silicon Dioxide [J]. Br. Ceram. Trans., 2000, 99(2): 57−61. ( 2 流量可使还原氮化反应进行得更充分, 流量过大会导致试样更大的质 流量. 3 N 4 2 2 3 4 14] 李应泉,廖际常,邓朝权,等. 二氧化硅碳还原法制取 Si N 粉 ( 2 带出 的研究 [J]. 稀有金属材料与工程, 1994, 23(1): 41−49. Synthesis of Si 3 N Powder from Iron Ore Tailing 4 1 2 1 3 3 ZHANG Shu-hui , KANG Zhi-qiang , LU Qing , XUE Xiang-xin , HUANG Da-wei ( 1. College of Metallurgy and Energy, Hebei Polytechnic University, Tangshan, Hebei 063009, China; . College of Resources and Environment, Hebei Polytechnic University, Tangshan, Hebei 063009, China; . School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110004, China) 2 3 Abstract: Based on thermodynamic analysis, Si3N4 powder was prepared by carbothermal reduction−nutridation from iron ore tailing. The phase composition and microstructure of sintered products were investigated by XRD and SEM techniques. The influences of synthesis temperature and N2 flow on the reaction process were also studied. The results show that Si3N4 phase in the products rises with increasing of synthesis temperature and reaches the maximum portion at 1450℃, which is assumed to be the optimal synthesis temperature. And Si3N4 crystal mostly exists as equiaxedly columnar or shot rod-like β-Si3N4. The increase of N2 flow is favorable to the reduction−nutridation process, and the optimal flow rate of N2 is 600 mL/min. Volatilization of SiO results in obvious mass loss of the tested samples. Key words: iron ore tailing; carbothermal reduction−nitridation; Si3N4; synthesis temperature; N2 flow rate
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