硅砖属酸性耐火材料,对酸性炉渣抵抗能力强,但易被碱性熔渣强烈侵蚀,易受K2O、Na2O等氧化物作用而破坏,但对FeO、Fe2O3等氧化物有良好的抵抗性。硅质制品中的典型产品硅砖具有荷重变形温度髙的特点,其荷重软化温度接近磷石英、方石英的熔点(1670℃,1713℃);硅砖砌筑体有良好的气密性和结构强度,最大的缺点是抗热震稳定性低。硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉及其他热工设备的结构材料。
1、原料
制造硅砖用原料包括主要原料、结合剂和矿化剂等。硅砖的主要原料是石英。自然界中有许多石英品种,从结晶状态看有隐晶的火石到理想晶体的水晶等,耐火材料中这两个极端品种都不适应,原因是煅烧过程中低温型石英向各种高温型晶型转变时或出现瞬间转化(如火石),或转化特别缓慢(如水晶),最适宜于制造硅砖耐火材料的是胶黏石英岩或块状石英岩。此外,硅砖生产过程中产生的烧成废品也可作为原料使用,这可以减少砖坯的烧成膨胀,减少烧成废品。但加入废砖会降低制品的耐火度和机械强度、增加气孔率,因此,废砖加入量通常控制在20%以下。
硅砖制造中的结合剂有石灰和有机结合剂。石灰以石灰乳的形式加入坯料中,结合砖坯内的石英颗粒,在千燥后增加砖坯的强度。最常用的有机结合剂是亚硫酸纸浆废液,其作用是提高坯料可塑性和砖坯干燥后的强度。
石灰的另一个作用是在烧成过程中起矿化剂作用,促进石英的转变,此外,也有采用轧钢皮(铁磷)、平炉濟、硫酸渣、软锰矿等矿化剂的。
2、制备工艺
硅砖生产的工艺流程大体可分为原料的组成选择、成形、烧成及冷却四个主要过程。
硅砖要求的粒度一般是大于1mm的颗粒占30%?35%,0.09?1mm的颗粒占35%?40%,余下的小于0.09mm。硅质坯体加热时的松散与烧结能力取决于颗粒组成中粗细两种粒度的性质和数量,粗颗粒转变在很大程度上发生在细颗粒转变和硅体开始烧成之后。所以粗颗粒转变时体积膨胀是砖体趋于松散以至开裂的基本因素。相反,细颗粒多处于颗粒堆积的孔隙中,细颗粒本身的膨胀不仅对砖坯的膨胀影响小,而且因具有较大的比表面积,在高温下与矿化剂作用而使烧结能力增加。因此,希望在砖坯中有足够数量的细颗粒含量,以提高砖坯的烧结性。矿化剂必须在球磨机中细磨,使大于0.5mm的颗粒不超过1%?2%,小于0.09mm的颗粒大于80%。
符合粒度要求的原料选好后,可进入成形阶段制备硅砖坯料。坯料的成形性能受颗粒组成、水分和加入物的影响,调整这些因素可以改善坯料的成形性能。由于硅质坯料的结合性和可塑性都很差且质硬,因此,为了保证制得致密砖坯,需要采用加压成形,通常成形压力应不低于100?150MPa。
将成形并干燥后的砖坯送入烧成窑内烧结。在烧成过程中伴随有大量的物理化学变化,如砖坯中残余水的排除,石灰乳[Ca(OH)2]的脱水反应,SiO2的晶型转换,CaO与Si02、Fe2O3与SiO2的固相反应等。根据这些变化的特点,可制定出烧成制度。在600℃以下时,虽有β—α型SiO2的晶型转变以及伴随的体积变化,但由于坯体的导热性差,加热时的坏体中心部位温度低于表面温度,因此石英转变不是在瞬间完成的,而是发生在某一温度范围,在坯体内不会引起很大的应力,且对坯体强度影响不大,因此,在此阶段,可用较快而均匀的升温速度烧成,通常在20?600℃间的升温速率为20℃/h;在600?1100℃温度范围内,因砖坯体积变化不大,强度逐渐提高,不会产生过大热应力,在保证砖坯均匀加热的前提下,可快速升温,一般采用25℃/h的升温速度;在1100℃至烧成最高温度范围内,晶型转变及体积变化均很显著,它是决定砖坯出现裂纹与否的关键阶段,这个阶段升温速度应逐渐降低,并能缓慢均匀升温。硅砖最高烧成温度应不超过1430℃。烧成温度过高时,方石英生成量多,导致烧成废品率增加。硅砖烧成至最高烧成温度时,通常根据制品的形状大小、窑的特性、晶型转变难易、制品要求的密度等给以足够的保温时间,一般波动在20?48h。
硅砖烧成后,高温下(600?800℃以上)可以快冷;低温时因有方石英和磷石英的快速晶型转变,产生体积收缩,故应缓慢冷却。
3、硅砖的应用
硅砖的使用主要从它在600℃以上耐温度急变性能的好坏来考虑。硅砖在急冷急热时易产生开裂,因此应特别注意哪些部位经常在这个温度范围内变化,如炼焦炉、煤气发生炉、空气加热器、电炉炉顶等。另一个使用区域是熔窑建筑后的烤窑温度范围。新窑烤窑时需要从室温升温到玻璃熔化温度。因此,耐火材料在烤窑过程中将发生一系列晶型转变和体积效应。由于硅砖在200℃到700℃温度范围内有较大的热膨胀,烤炉时必须十分仔细地制定升温曲线并严格控制升温速度。硅质耐火材料除硅砖外,还有特种硅砖、石英玻璃及其制品等。
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