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硅砖产生裂纹的原因及预防措施

文章出处:找耐火材料网 作者:玻璃窑用硅砖 人气: 时间:2019-02-13 08:51 【

硅砖是主要由鳞石英、方石英以及少量残余石英和玻璃相组成的酸陛耐火材料,对酸陛炉渣抵抗能力强,但会被碱性渣侵蚀,不耐Al2O3、K2O、Na2O等氧化物侵蚀,它的荷重软化温度高,介于1640~1680℃之间,与鳞石英、方石英熔点(分别为1670和1713℃)接近,最大的缺点是热震稳定性低,但耐火度与荷重软化温度相近,在高温下长期使用不变形,有利于保证砌筑体在使用时的结构强度。

硅砖主要用于炼焦炉的炭化室和燃烧室的隔墙,均热炉、热风炉、酸性平炉和玻璃窑炉的炉顶或拱顶等部位。现今在炼铁技术方面,直接还原与融熔还原炼铁新技术正在逐步转化为生产力,而在炼焦工业,已研制出一种不用焦炉生产的“成型焦炭”,可以替代一部分传统焦炭。随着这些新技术的推广,硅砖的需要量将逐步减少。然而,在国内外玻璃窑上,硅砖除了在蓄热室格子体和部分胸墙部位被其它砖替代外,在熔窑碹顶,硅砖仍保持其优势地位。

硅砖同大多数烧结耐火砖一样均采用半干法生产制品、隧道窑烧成,它在生产过程中出现裂纹是导致其废品率提高的主要原因之一。本文对硅砖成品的裂纹类型和成因进行分析,说明通过严格控制硅砖生产主要的机压成型和烧成工艺环节,能减少硅砖裂纹形成,并显著提高产品质量。此经验对其它烧结耐火材料的生产也有借鉴作用。

硅砖裂纹的类型

硅砖制品的裂纹可分为表面裂纹和内部裂纹,后者也称为层裂。表面裂纹又分为横向裂纹、纵向裂纹和网状裂纹。硅砖是采用半干料机压成型方法制备致密坯体的,沿砖坯加压方向产生的裂纹为横向裂纹,垂直于砖坯的加压方向产生的裂纹为竖向裂纹,而硅砖制品表面由数条裂纹组成的,呈蛛网状分布的裂纹,即网状裂纹,参见图1。

图1  硅砖表面裂纹类型

通常,就一块标准型硅砖而言,其坯体加压方向一般为厚度方向。硅砖制品的成型过程,实质上是一个使坯料内颗粒密集和空气排出、形成致密坯体的过程。砖坯经机压成型后,具有密度高、强度大、干燥收缩和烧成收缩小、制品尺寸容易控制等优点。但是,当机压成型工艺控制不当,坯体在加压过程中会形成的垂直于加压方向的层状裂缝,因此,硅砖内部的层状裂缝或者简称层裂,亦是纵向裂纹。

大的层裂在砖坯刚成型,或砖坯干燥后就可检测出来。但砖坯中微小层裂,只有在硅砖烧成过程中随热应力的作用继续扩展,才能在烧后明显地被检测出来。含有裂纹缺陷尤其是层裂的硅砖容易发生断裂,既不能使用,又降低了硅砖制品的成品率。

硅砖裂纹形成和预防的主要措施

 
2.1  机压成型
 

硅砖的层裂主要由于机压成型工艺控制不当造成,所以有时也称之为机压裂纹。硅砖的坯料和砖坯,都是由固体、水或其它结合剂和空气三相物质共同组成的。在整个机压成型或称为模压成型过程中,固相和液相量没有改变,而坯料中空气的数量则由于压力的作用被压缩和减少,被压缩的坯料容积亦相应减少。模压成型过程大致可分为以下三阶段,参见图2。

图 2  砖坯的压力压缩曲线

(1)第一阶段,在压力的作用下,坯料中的颗粒开始移动,重新配置成较紧密堆积。该过程的特点是压缩明显。当压力增至某一数值后,进入第二阶段。

(2)第二阶段,颗粒发生脆性及弹性变形,坯料被压缩到一定程度后,即阻碍进一步压缩。当压力增加,达到使颗粒再度发生变形的外力时,引起坯料的再压缩,坯体致密度随之增加。这个阶段是压缩及增压变得短促而频繁的阶段。

(3)第三阶段,在极限压力下,坯料的相对致密度基本稳定,难以提高。砖坯的模压成型结束。在模压成型过程中,必须将弹性后效所造成的坯体滞后膨胀量控制为2%以下,否则往往在压制过程中直接造成废品。如果沿砖坯加压方向坯体形成“层密度”,密度差大于2%,砖坯内部就容易产生层状裂纹的缺陷,使得砖坯在烧成过程中热膨胀不均而产生较大的热应力,形成平行于密度层的纵向裂纹以致报废。

由于模压成型时,压力用于克服颗粒之间的内摩擦力,颗粒与模壁之间的外摩擦力以及被压坯料的变形,随着离开压头距离的增加,坯料内部压力减少。依据压制坯体均匀程度的表达式:

等式(1)中,β为坯体压制均匀度,P为坯体表面压力,Pn为坯体内部压力,L为坯体长度,D为坯体承压直径,k为与坯体物性相关的系数。

因此,压制硅砖时宜用长径比小的短模,不宜采用长径比大的高模,来提高坯体内压力分布的均匀性,参见图3。同时,采取向坯料中引入某些塑化剂及表面活性剂,降低坯料内摩擦,减少压力传递损失;提高模具的光洁度或对模子涂油,降低坯料外摩擦;采用双面压制,降低坯体L/D比值;采用多次加压,先轻后重方式,避免砖坯内压力不致积蓄过大及消除弹性后效等技术措施,提高砖坯内部压力与密度的均匀性。从而,避免硅砖坯体中距受压面近的地方密度大,距受压面远的地方密度小,以减少层密度形成导致裂纹缺陷的产生。

图3   砖坯压力分布(a)短模,(b)高模

此外,硅砖坯料是由骨料、熟料、球磨粉、矿化剂、亚硫酸纸浆废液及增塑剂经混练制备而成,改善坯料的捏练工艺,也有助于提高砖坯的密度。从物体混合技术而言,使物料同相之间发生移动叫混合,异相之间的移动叫搅拌,而将高黏度液体与固体相互混合的操作叫捏练(捏合与混练)。通过合理捏练,可以完成细粉对大颗粒的包覆,有效排除气体,提高坯料致密化程度,从而降低砖坯气孔率,参见图4。

图4  坯料捏炼时间及加压次数与砖坯气孔率关系

 
2.2  烧成工艺
 

硅砖的烧结实际上是SiO2的同质多晶转变过程,硅石原料在矿化剂作用下,经缓慢烧成,基本上转化为鳞石英、方石英,仅有少量残余石英。硅砖在使用中加热到1450℃时有1.5%~2.2%的总体积膨胀,这种残余膨胀会使砌缝密合,有利于保证硅砖砌筑体呈现良好的紧密性和结构强度。而且这种SiO2的同质多晶转变,决定了烤窑前期阶段耐火材料监控的重点是硅砖,升温速率以慢速均匀为特征。硅砖在150~300℃温度范围内,由于其中β、α-方石英的晶型转变伴随较大的体积效应,在烤窑时应特别注意在此温度范围内进行缓慢升温。各种SiO2变体的基本性质如表1所示,它们的实际转变情况如图5所示。

图5   SiO2变体实际转变图

图5中,石英转变为鳞石英的转化速度和程度,不仅与温度的高低和矿化剂的存在有关,而且也与温度的作用时间、原料的颗粒大小、转化相结晶大小等因素有关。温度高、高温作用时间长、颗粒小、结晶小、矿化剂作用强,则转化快,反之则慢。硅砖的主晶相为鳞石英和方石英,鳞石英熔点1670,具有较高的体积稳定性。如果硅砖中鳞石英呈矛头状双晶形态相互交错为网络状分布,能够使硅砖具有较高的荷重软化点及机械强度。当硅砖中残余石英较多时,由于在使用中它会继续进行晶型转变,体积膨胀较大,会导致砖体结构松散开裂。硅砖在烧成过程中发生的物理一化学变化可归纳如下

①<150℃排除砖坯的残余水分。

②450—550℃时Ca(OH)2开始分解,550分解完毕,此时硅砖颗粒之间的结合由于CaO等作用而破坏,强度下降,坯体变脆。

③550~650℃时,β一石英砖转化为一石英,体积膨胀。

④600~700℃时,CaO与SiO2之间发生固相反应,坯体强度提高。

⑤800~1100℃时,砖坯出现液相反应,坯体强度迅速增加。从1100℃开始,石英的转化速度大为增加,这时低比重石英变体,产生较大体积膨胀。

⑥1300~1350℃时,由于鳞石英和方石英数量增加,坯体真比重降低,同时体积膨胀加大有可能导致开裂。

⑦1350~1470℃时,石英的转化程度和由此产生的膨胀很大,仅一石英、亚稳定方石英和矿化剂及杂质等相互作用形成液相,并侵入石英颗粒在形成亚稳定方石英时出现裂纹中,促进了一石英和亚稳定方石英不断地熔解于所形成的液相中,使之成为硅氧的过饱和熔液,然后以稳定的鳞石英形态不断地从熔液中结晶出来。此时液相粘度愈大,硅砖转化速度愈快,砖坯产生裂纹可能性愈大。

因此,为防止硅砖在烧成过程中发生晶型变化,伴随较大的体积变化导致裂纹的形成,必须采取以下工艺措施:

(1)要控制烧成不同温度范围的升温速率。小于600℃升温速率放慢,600~1000℃时升温速率可加快,1100~1300℃时升温速率应缓慢,1300℃~烧成温度(1430℃至1450℃)时,升温速率应是烧成过程中最慢的。烧成后的硅砖冷却时在600℃以下,特别在300℃时应缓慢。这样可以有效缓冲晶型转变的体积变化,使其鳞石英及方石英含量较高,并避免裂纹的形成。

(2)应在高温烧成阶段采用还原气氛,有利于低价氧化铁的矿化作用和促进鳞石英大量生成。否则,在氧化气氛下尤其矿化剂不足时,α-石英大多数转化为α-方石英,这种转变称为“干转化”。在干转化时,由于砖体不均匀的体积膨胀很大,而又无液相缓冲应力,会导致制品结构松散和开裂。同时,应在硅砖烧成的不同温度阶段进行适当保温,使硅砖具有合理相组成,满足使用要求。

(3)改善半成品装车制度,降低裂纹发生的概率。硅砖的横向裂纹,即平行于制品的加压方向裂纹(图1),通常为制品烧成时各部分受热不均所致,它们多出现在砖垛外侧的受火面,特别是顶层的制品表面。而硅砖表面网状裂纹,除了由于捏练不匀或原料变化,使得坯体本身微观不均匀的起因外,通常是由于制品受热温度过高且起伏较大所致。在装车时,需要将特异型硅砖放置于窑车的内部,标准普通型砖装在窑车的外部;异型砖的凸出部位或易出现裂纹的部位向里;窑车顶部要覆盖一些薄片砖,以避免火焰的直接冲击等措施,否则将会导致裂纹增多。

结  语

裂纹是影响硅成品率及性能的主要因素之一,抓住机压成型和烧成工艺是避免硅砖裂纹形成的关键。硅石原料的理论和实际转化情况有所不同,需根据原料、砖型种类等变化实时地调整其烧成制度。硅砖坯料的制备和质量是重要的,甚至是关键的因素,只有严格控制好每一道工艺环节,方能高效低耗地产生性能良好的硅砖产品。

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