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                硅磚產生裂紋的原因及預防措施

                發布時間:2021/05/28 行業新聞 標簽:耐火磚瀏覽次數:194

                  硅磚是主要由鱗石英、方石英以及少量殘余石英和玻璃相組成的酸陛耐火材料,對酸陛爐渣抵抗能力強,但會被堿性渣侵蝕,不耐Al2O3、K2O、Na2O等氧化物侵蝕,它的荷重軟化溫度高,介于1640~1680℃之間,與鱗石英、方石英熔點(分別為1670℃和1713℃)接近,最大的缺點是熱震穩定性低,但耐火度與荷重軟化溫度相近,在高溫下長期使用不變形,有利于保證砌筑體在使用時的結構強度。

                  硅磚主要用于煉焦爐的炭化室和燃燒室的隔墻,均熱爐、熱風爐、酸性平爐和玻璃窯爐的爐頂或拱頂等部位。現今在煉鐵技術方面,直接還原與融熔還原煉鐵新技術正在逐步轉化為生產力,而在煉焦工業,已研制出一種不用焦爐生產的“成型焦炭”,可以替代一部分傳統焦炭。隨著這些新技術的推廣,硅磚的需要量將逐步減少。然而,在國內外玻璃窯上,硅磚除了在蓄熱室格子體和部分胸墻部位被其它磚替代外,在熔窯碹頂,硅磚仍保持其優勢地位。

                  硅磚同大多數燒結耐火磚一樣均采用半干法生產制品、隧道窯燒成,它在生產過程中出現裂紋是導致其廢品率提高的主要原因之一。本文對硅磚成品的裂紋類型和成因進行分析,說明通過嚴格控制硅磚生產主要的機壓成型和燒成工藝環節,能減少硅磚裂紋形成,并顯著提高產品質量。此經驗對其它燒結耐火材料的生產也有借鑒作用。

                  硅磚裂紋的類型

                  硅磚制品的裂紋可分為表面裂紋和內部裂紋,后者也稱為層裂。表面裂紋又分為橫向裂紋、縱向裂紋和網狀裂紋。硅磚是采用半干料機壓成型方法制備致密坯體的,沿磚坯加壓方向產生的裂紋為橫向裂紋,垂直于磚坯的加壓方向產生的裂紋為豎向裂紋,而硅磚制品表面由數條裂紋組成的,呈蛛網狀分布的裂紋,即網狀裂紋,參見圖1。

                  圖1  硅磚表面裂紋類型

                  通常,就一塊標準型硅磚而言,其坯體加壓方向一般為厚度方向。硅磚制品的成型過程,實質上是一個使坯料內顆粒密集和空氣排出、形成致密坯體的過程。磚坯經機壓成型后,具有密度高、強度大、干燥收縮和燒成收縮小、制品尺寸容易控制等優點。但是,當機壓成型工藝控制不當,坯體在加壓過程中會形成的垂直于加壓方向的層狀裂縫,因此,硅磚內部的層狀裂縫或者簡稱層裂,亦是縱向裂紋。

                  大的層裂在磚坯剛成型,或磚坯干燥后就可檢測出來。但磚坯中微小層裂,只有在硅磚燒成過程中隨熱應力的作用繼續擴展,才能在燒后明顯地被檢測出來。含有裂紋缺陷尤其是層裂的硅磚容易發生斷裂,既不能使用,又降低了硅磚制品的成品率。

                  硅磚裂紋形成和預防的主要措施

                  機壓成型

                  硅磚的層裂主要由于機壓成型工藝控制不當造成,所以有時也稱之為機壓裂紋。硅磚的坯料和磚坯,都是由固體、水或其它結合劑和空氣三相物質共同組成的。在整個機壓成型或稱為模壓成型過程中,固相和液相量沒有改變,而坯料中空氣的數量則由于壓力的作用被壓縮和減少,被壓縮的坯料容積亦相應減少。模壓成型過程大致可分為以下三階段。

                  第一階段,在壓力的作用下,坯料中的顆粒開始移動,重新配置成較緊密堆積。該過程的特點是壓縮明顯。當壓力增至某一數值后,進入第二階段。

                  第二階段,顆粒發生脆性及彈性變形,坯料被壓縮到一定程度后,即阻礙進一步壓縮。當壓力增加,達到使顆粒再度發生變形的外力時,引起坯料的再壓縮,坯體致密度隨之增加。這個階段是壓縮及增壓變得短促而頻繁的階段。

                  第三階段,在極限壓力下,坯料的相對致密度基本穩定,難以提高。磚坯的模壓成型結束。在模壓成型過程中,必須將彈性后效所造成的坯體滯后膨脹量控制為2%以下,否則往往在壓制過程中直接造成廢品。如果沿磚坯加壓方向坯體形成“層密度”,密度差大于2%,磚坯內部就容易產生層狀裂紋的缺陷,使得磚坯在燒成過程中熱膨脹不均而產生較大的熱應力,形成平行于密度層的縱向裂紋以致報廢。

                  壓制硅磚時宜用長徑比小的短模,不宜采用長徑比大的高模,來提高坯體內壓力分布的均勻性。同時,采取向坯料中引入某些塑化劑及表面活性劑,降低坯料內摩擦,減少壓力傳遞損失;提高模具的光潔度或對模子涂油,降低坯料外摩擦;采用雙面壓制,降低坯體L/D比值;采用多次加壓,先輕后重方式,避免磚坯內壓力不致積蓄過大及消除彈性后效等技術措施,提高磚坯內部壓力與密度的均勻性。從而,避免硅磚坯體中距受壓面近的地方密度大,距受壓面遠的地方密度小,以減少層密度形成導致裂紋缺陷的產生。

                  此外,硅磚坯料是由骨料、熟料、球磨粉、礦化劑、亞硫酸紙漿廢液及增塑劑經混練制備而成,改善坯料的捏練工藝,也有助于提高磚坯的密度。從物體混合技術而言,使物料同相之間發生移動叫混合,異相之間的移動叫攪拌,而將高黏度液體與固體相互混合的操作叫捏練(捏合與混練)。通過合理捏練,可以完成細粉對大顆粒的包覆,有效排除氣體,提高坯料致密化程度,從而降低磚坯氣孔率。

                  硅磚的燒結實際上是SiO2的同質多晶轉變過程,硅石原料在礦化劑作用下,經緩慢燒成,基本上轉化為鱗石英、方石英,僅有少量殘余石英。硅磚在使用中加熱到1450℃時有1.5%~2.2%的總體積膨脹,這種殘余膨脹會使砌縫密合,有利于保證硅磚砌筑體呈現良好的緊密性和結構強度。而且這種SiO2的同質多晶轉變,決定了烤窯前期階段耐火材料監控的重點是硅磚,升溫速率以慢速均勻為特征。硅磚在150~300℃溫度范圍內,由于其中β、α-方石英的晶型轉變伴隨較大的體積效應,在烤窯時應特別注意在此溫度范圍內進行緩慢升溫。

                  石英轉變為鱗石英的轉化速度和程度,不僅與溫度的高低和礦化劑的存在有關,而且也與溫度的作用時間、原料的顆粒大小、轉化相結晶大小等因素有關。溫度高、高溫作用時間長、顆粒小、結晶小、礦化劑作用強,則轉化快,反之則慢。硅磚的主晶相為鱗石英和方石英,鱗石英熔點1670℃,具有較高的體積穩定性。如果硅磚中鱗石英呈矛頭狀雙晶形態相互交錯為網絡狀分布,能夠使硅磚具有較高的荷重軟化點及機械強度。當硅磚中殘余石英較多時,由于在使用中它會繼續進行晶型轉變,體積膨脹較大,會導致磚體結構松散開裂。硅磚在燒成過程中發生的物理一化學變化可歸納如下:

                  ①<150℃排除磚坯的殘余水分。

                  ②450—550℃時Ca(OH)2開始分解,550℃分解完畢,此時硅磚顆粒之間的結合由于CaO等作用而破壞,強度下降,坯體變脆。

                  ③550~650℃時,β一石英磚轉化為一石英,體積膨脹。

                  ④600~700℃時,CaO與SiO2之間發生固相反應,坯體強度提高。

                  ⑤800~1100℃時,磚坯出現液相反應,坯體強度迅速增加。從1100℃開始,石英的轉化速度大為增加,這時低比重石英變體,產生較大體積膨脹。

                  ⑥1300~1350℃時,由于鱗石英和方石英數量增加,坯體真比重降低,同時體積膨脹加大有可能導致開裂。

                  ⑦1350~1470℃時,石英的轉化程度和由此產生的膨脹很大,僅一石英、亞穩定方石英和礦化劑及雜質等相互作用形成液相,并侵入石英顆粒在形成亞穩定方石英時出現裂紋中,促進了一石英和亞穩定方石英不斷地熔解于所形成的液相中,使之成為硅氧的過飽和熔液,然后以穩定的鱗石英形態不斷地從熔液中結晶出來。此時液相粘度愈大,硅磚轉化速度愈快,磚坯產生裂紋可能性愈大。

                  因此,為防止硅磚在燒成過程中發生晶型變化,伴隨較大的體積變化導致裂紋的形成,必須采取以下工藝措施:

                  要控制燒成不同溫度范圍的升溫速率。小于600℃升溫速率放慢,600~1000℃時升溫速率可加快,1100~1300℃時升溫速率應緩慢,1300℃~燒成溫度(1430℃至1450℃)時,升溫速率應是燒成過程中最慢的。燒成后的硅磚冷卻時在600℃以下,特別在300℃時應緩慢。這樣可以有效緩沖晶型轉變的體積變化,使其鱗石英及方石英含量較高,并避免裂紋的形成。

                  應在高溫燒成階段采用還原氣氛,有利于低價氧化鐵的礦化作用和促進鱗石英大量生成。否則,在氧化氣氛下尤其礦化劑不足時,α-石英大多數轉化為α-方石英,這種轉變稱為“干轉化”。在干轉化時,由于磚體不均勻的體積膨脹很大,而又無液相緩沖應力,會導致制品結構松散和開裂。同時,應在硅磚燒成的不同溫度階段進行適當保溫,使硅磚具有合理相組成,滿足使用要求。

                  改善半成品裝車制度,降低裂紋發生的概率。硅磚的橫向裂紋,即平行于制品的加壓方向裂紋(圖1),通常為制品燒成時各部分受熱不均所致,它們多出現在磚垛外側的受火面,特別是頂層的制品表面。而硅磚表面網狀裂紋,除了由于捏練不勻或原料變化,使得坯體本身微觀不均勻的起因外,通常是由于制品受熱溫度過高且起伏較大所致。在裝車時,需要將特異型硅磚放置于窯車的內部,標準普通型磚裝在窯車的外部;異型磚的凸出部位或易出現裂紋的部位向里;窯車頂部要覆蓋一些薄片磚,以避免火焰的直接沖擊等措施,否則將會導致裂紋增多。

                  結  語

                  裂紋是影響硅成品率及性能的主要因素之一,抓住機壓成型和燒成工藝是避免硅磚裂紋形成的關鍵。硅石原料的理論和實際轉化情況有所不同,需根據原料、磚型種類等變化實時地調整其燒成制度。硅磚坯料的制備和質量是重要的,甚至是關鍵的因素,只有嚴格控制好每一道工藝環節,方能高效低耗地產生性能良好的硅磚產品。

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