硅質(zhì)耐火材料精品課件

1、硅質(zhì)耐火材料第1頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六第四章 硅質(zhì)耐火材料緒 言概念：硅質(zhì)耐火材料是指以SiO2為主要化學(xué)組成（ SiO2： 93-98% ）的耐火材料。2. 分類：包括普通硅磚、特種硅磚、石英玻璃及其制品。 3. 性質(zhì)及應(yīng)用硅質(zhì)制品屬典型的酸性耐火材料，抗酸性渣侵蝕能力強，易受堿性渣強烈侵蝕。荷重軟化溫度高，接近于鱗石英、方石英的熔點（1670、1710）。但耐火度較低，熱震穩(wěn)定性差。硅磚主要用于砌筑焦爐、玻璃熔窯及其他有酸性熔渣產(chǎn)生的熱工設(shè)備。第2頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六4-1 硅磚的組成、顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì)一、硅磚的組成、結(jié)構(gòu)

2、及其與制品性質(zhì)關(guān)系第四章 硅質(zhì)耐火材料化學(xué)組成（%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOR2O93980.52.50.32.50.22.71.01.5礦物組成（%）鱗石英方石英石 英玻璃相3702080315410硅磚的組成：根據(jù)使用要求的不同，或者所用原料及生產(chǎn)工藝的不同，硅磚的化學(xué)礦物組成范圍如下：第3頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六一、硅磚的組成、結(jié)構(gòu)及其與制品性質(zhì)關(guān)系第四章 硅質(zhì)耐火材料硅磚的一般顯微結(jié)構(gòu)：T：鱗石英C：方石英Q：殘余石英G：玻璃相 第4頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六硅磚真比重鱗石英，%方石英，%石英，%玻璃相，%2.33

3、8013172.347217382.376317912.396015962.40581212182.4253121718硅磚真比重與礦物組成的關(guān)系 硅磚的密度一般應(yīng)小于2.38 g/cm3優(yōu)質(zhì)硅磚的密度在2.322.36 g/cm3一、硅磚的組成、結(jié)構(gòu)及其與制品性質(zhì)關(guān)系 組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系：第5頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六 組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系：第6頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六方石英含量與侵蝕量的關(guān)系 （熔點1723） 組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系：第7頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六 組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系：第8

4、頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六 組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系：第9頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六二、硅磚的性質(zhì)第四章 硅質(zhì)耐火材料硅磚的密度一般應(yīng)小于2.38 g/cm3優(yōu)質(zhì)硅磚的密度在2.322.36 g/cm3第10頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六優(yōu)質(zhì)硅磚的理化性能 中國LPBG-96中國LBG-96德國DIDER日本旭硝子美國VEGA英國皮爾金頓SiO2 97.696.5495.998.595.6496.18Fe2O3 0.350.670.480.90.710.52 熔融指數(shù) （Al2O3+2R2O）0.350.410

5、.540.640.39真密度 g/cm32.332.332.322.332.322.33顯氣孔率 171821.72020.322常溫耐壓強度MPa45383235.656.80.2MPa荷重軟化開始溫度 169016801680167516901680重燒線變化率14502h +0.2+0.1+0.19方石英 55354055殘余石英 2035二、硅磚的性質(zhì)第11頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六4-2 硅質(zhì)耐火材料生產(chǎn)的理化基礎(chǔ)一、SiO2的多晶轉(zhuǎn)變關(guān)系第四章 硅質(zhì)耐火材料-石英亞 穩(wěn)方石英-鱗石英-方石英熔體石英玻璃-鱗石英-鱗石英-石英-方石英亞 穩(wěn)方石英+0.8

6、2%無礦化劑存在時有礦化劑存在時+0.20%+0.28%+2.8%+ 12.7%+ 4.7%第12頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六4-2 硅質(zhì)耐火材料生產(chǎn)的理化基礎(chǔ) SiO2變體的性質(zhì)變體名稱穩(wěn)定溫度，晶系結(jié)晶習性常溫下真比重熔點,-石英573三方柱狀2.6511713-石英573870六方2.533-鱗石英常溫117斜方矛頭狀雙晶2.272.35（天然）2.2622.285（人工）1670-鱗石英117163六方2.24-鱗石英8701470六方蜂窩狀結(jié)構(gòu)2.228-方石英180270斜方2.332.34（天然）2.312.32（人工）1730-方石英14701713

7、等軸2.229石英玻璃1713非晶質(zhì)2.203第13頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六-石英亞 穩(wěn)方石英-鱗石英-方石英熔體石英玻璃-鱗石英-鱗石英-石英-方石英亞 穩(wěn)方石英+0.82%無礦化劑存在時有礦化劑存在時+0.20%+0.28%+2.8%+ 12.7%+ 4.7% 由-石英轉(zhuǎn)化為-鱗石英或-方石英時，不管有無礦化劑存在，均要先轉(zhuǎn)化為半安定方石英，然后再繼續(xù)轉(zhuǎn)化下去。 鱗石英的生成必須有礦化劑（雜質(zhì)）的存在，純石英加熱時形成不了鱗石英，而只可能有石英和方石英兩種變體。另外由上圖可見：第14頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六1）鱗石英可在磚體結(jié)

8、構(gòu)中形成由矛頭狀雙晶構(gòu)成的相互交錯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予制品較高的荷軟溫度及機械強度。 硅磚礦物組成中，要求有大量鱗石英存在，而不希望有殘余石英和方石英存在，尤其是殘余石英。原因在于：4-2 硅質(zhì)耐火材料生產(chǎn)的理化基礎(chǔ)鱗石英矛頭狀雙晶第15頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六2）三種石英變體中，鱗石英的熱膨脹率隨溫度變化比較均勻，且當T600后，具有最小的熱膨脹率。因此，鱗石英含量高時有利于改善制品的抗熱震性和高溫體積穩(wěn)定性。 硅磚礦物組成中，要求有大量鱗石英存在，而不希望有殘余石英和方石英存在，尤其是殘余石英。原因在于：4-2 硅質(zhì)耐火材料生產(chǎn)的理化基礎(chǔ)第16頁，共36頁，202

9、2年，5月20日，1點26分，星期六4-2 硅質(zhì)耐火材料生產(chǎn)的理化基礎(chǔ)2）鱗石英各變體之間發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變時，引起的體積效應(yīng)最?。?.40%），故具有較好的體積穩(wěn)定性。雖然方石英的熔點最高（1713）（鱗石英 1670 ，石英1600 ），其量增多有利于提高制品的耐火度，但從體積穩(wěn)定性看，方石英在晶型轉(zhuǎn)變時，引起的體積變化最大（2.8%）。另外，方石英含量提高也會導(dǎo)致制品的抗渣性能降低。硅磚中方石英含量與渣侵蝕量的關(guān)系第17頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六4-2 硅質(zhì)耐火材料生產(chǎn)的理化基礎(chǔ) 所以，一般希望燒成的硅磚中有盡可能多的鱗石英存在，其次是方石英，殘余石英越少越好。

10、殘余石英在制品于高溫下使用時，會繼續(xù)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生較大的體積膨脹，導(dǎo)致制品結(jié)構(gòu)松散。鱗石英矛頭狀雙晶第18頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六第四章 硅質(zhì)耐火材料4-2 硅質(zhì)耐火材料生產(chǎn)的理化基礎(chǔ)二、硅磚生產(chǎn)中礦化劑的作用及影響其效能的因素（一）礦化劑的作用1. 在高溫下促使石英轉(zhuǎn)變?yōu)轺[石英和方石英，而又不顯著降低制品的耐火度。2. 防止磚坯燒成時因發(fā)生急劇體積效應(yīng)而產(chǎn)生的松散和開裂礦化劑的存在導(dǎo)致形成一定量的液相，從而緩沖磚坯因體積變化而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。第19頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六二、硅磚生產(chǎn)中礦化劑的作用及影響其效能的因素（二）礦化劑

11、的作用機理（1） -石英 半安定方石英 足量的礦化劑（C）存在12001470AB同時： A + B + C L（2） 液相形成后，更促使A、B不斷的熔入液相，使之成為過飽和熔體，然后以穩(wěn)定的鱗石英從熔體析出： L 鱗石英 （3） 液相的存在緩沖著晶型轉(zhuǎn)變所引起的體積膨脹應(yīng)力，防止制品開裂和結(jié)構(gòu)松散。第20頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六（三）影響礦化劑效能的因素主要包括礦化劑的種類（性質(zhì)），以及因其而形成的液相的性質(zhì)。1. 礦化劑的種類 (化學(xué)性質(zhì))礦化劑與石英作用 形成液相的溫度越低，則礦化劑的作用越強，越有利于亞穩(wěn)方石英向鱗石英轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)組成低共熔點溫度（）Na2

12、O-SiO2728FeO-SiO21178MnO-SiO21291CaO-SiO21436MgO-SiO21543TiO2-SiO21550CaO-Al2O3-SiO21170顯然，堿金屬氧化物的礦化作用最強，其次是FeO、MnO等，再次是CaO、MgO等。但是，當有Al2O3存在時，CaO-Al2O3-SiO2 系統(tǒng)可望在1170開始出現(xiàn)液相?？梢娫谟衅渌s質(zhì)存在時，CaO也是強的礦化劑。二、硅磚生產(chǎn)中礦化劑的作用及影響其效能的因素第21頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六二、硅磚生產(chǎn)中礦化劑的作用及影響其效能的因素（三）影響礦化劑效能的因素2. 高溫下液相的粘度、對石英

13、和方石英的潤濕溶解能力。粘度小、潤濕溶解能力大的礦化作用強。3. 高溫下液相被SiO2飽和的難易程度，即液相的析晶能力。這一點與硅酸鹽熔體的結(jié)構(gòu)（O/Si比值）有關(guān)。熔體中高聚合物濃度大時，尤其是當O/Si比值=2.12.5時， -鱗石英容易從熔體中大量析出。（四）硅磚生產(chǎn)中礦化劑的選擇 礦化劑選擇的總原則是既要考慮其礦化作用的強弱，形成液相溫度要低（ 1470，鱗石英的最高穩(wěn)定溫度）；還需考慮原料的配料，以及礦化劑對制品性能的綜合影響。第22頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六 能與SiO2作用，并在較低的溫度下（一般應(yīng)低于13001350）形成液相，且對系統(tǒng)的耐火度降低

14、不大。 能夠形成足夠數(shù)量的液相。液相應(yīng)具有較低的粘度及較強的潤濕石英顆粒表面的能力。液相的數(shù)量隨溫度升高變化不大。 液相的結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于鱗石英析晶即液相的 O/Si =2.5，液相中陰離子團為Si2O52-，溶解不穩(wěn)定變體（-石英、亞穩(wěn)方石英）能力較強，而在1470以下對穩(wěn)定變體（鱗石英）溶解能力很小。 礦化作用不過于激烈，燒后制品不產(chǎn)生裂紋。 礦化劑為非水溶性物質(zhì)，且在坯體中易于分布均勻；價格合理，易于制備。（四）硅磚生產(chǎn)中礦化劑的選擇 理想的礦化劑應(yīng)具備如下條件：第23頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六（四）硅磚生產(chǎn)中礦化劑的選擇實際生產(chǎn)中，廣泛采用的礦化劑是“CaO(

15、石灰乳) + FeO/Fe2O3(鐵鱗)”，加入量一般為 CaO 22.5%，F(xiàn)eO(Fe2O3) 0.51.0%，即總加入量 34%。因為：1. 該系統(tǒng)的始熔溫度較低： 系統(tǒng)組成低共熔點溫度（）FeO-SiO21178CaO-SiO21436CaO-Al2O3-SiO21170CaO-FeO-SiO211052. CaO既有足夠的礦化作用，又對硅磚的耐火度降低不大。如上所述，堿金屬氧化物的礦化作用最強，其次是FeO、MnO等，再次是CaO、MgO等。但堿金屬氧化物一般不能用作礦化劑，原因包括：降低制品高溫性能；生坯干燥泛堿易使制品燒成時開裂。第24頁，共36頁，2022年，5月20日，1點2

16、6分，星期六（四）硅磚生產(chǎn)中礦化劑的選擇3. CaO可以改善坯料的結(jié)合性和可塑性，使磚坯具有足夠的干燥強度。因為Ca(OH)2是一種氣硬性膠凝性物質(zhì)。4. 氧化鐵的加入可以顯著降低液相出現(xiàn)的溫度及其粘度，既提高鱗石英的生成量，又可緩解內(nèi)熱應(yīng)力，減小制品的開裂。以鐵鱗做礦化劑時，要求FeO+Fe2O390%，0.088mm 的顆粒80%，0.5mm 的顆粒1%2%。礦化劑的總加入量通常不應(yīng)超過3%4%，否則會強烈降低系統(tǒng)的耐火度。一般的礦化劑配合加入情況如表所示。原料種類硅磚品種FeO+Fe2O3 /%CaO /%結(jié)晶硅石1焦爐磚0.50.82.03.0結(jié)晶硅石2焦爐磚1.02.02.5結(jié)晶硅石

17、2電爐磚1.01.41.7膠結(jié)硅石1焦爐磚0.51.82.5膠結(jié)硅石1電爐磚0.31.41.75礦化劑的加入量第25頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六4-3 硅磚的生產(chǎn)工藝要點 生產(chǎn)工藝過程與粘土磚的相似：廢 磚 硅 石 粗 碎 中 碎 合格顆粒料 粗 碎 中 碎 洗 滌 篩 分 合格料 配 料 管磨機 混 練 成 型 干 燥 燒 成 檢驗包裝 （+）礦化劑 結(jié)合劑（紙漿廢液） 篩 分 （+）第26頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六分類巖石分類 顯微結(jié)構(gòu)和特征舉例結(jié)晶硅石脈石英石英巖變質(zhì)石英巖石英砂晶粒很大，純凈，轉(zhuǎn)變困難晶粒較小，純凈，中速轉(zhuǎn)變晶粒

18、受地殼壓力而發(fā)生扭曲，易轉(zhuǎn)變晶粒較大，純度不定吉林本溪包頭膠結(jié)硅石砂巖玉髓燧石巖以膠結(jié)石英為基質(zhì)的砂巖由玉髓組成以玉髓為基質(zhì)武漢山西一、原 料1. 硅石：用于硅磚生產(chǎn)的硅石原料要求SiO2含量96%，同時還要考慮其結(jié)構(gòu)特點，要求其晶粒較粗，結(jié)構(gòu)致密，否則制磚燒成時易松散。4-3 硅磚的生產(chǎn)工藝要點第27頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六2. 廢硅磚：加入廢硅磚可以減小硅磚的燒成膨脹，提高成品率。但廢硅磚的加入量通常20%。3. 礦化劑： 包括石灰乳、鐵鱗、平爐渣、硫酸渣等。用于硅磚生產(chǎn)的石灰乳的質(zhì)量要求為：CaO90%; (CaCO3+MgCO3) 5%(Al2O3+Fe

19、2O3+SiO2) 5%用于硅磚生產(chǎn)的鐵鱗的質(zhì)量要求為：(FeO+Fe2O3) 90%; 0.5mm的顆粒12%；0.088mm的顆粒80%4-3 硅磚的生產(chǎn)工藝要點一、原 料廢硅磚要求SiO293%，耐火度1670，吸水率4.0，作用：減少膨脹，但會降低制品的耐火度和機械強度，提高氣孔率。第28頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六二、硅磚生產(chǎn)工藝要點1. 配料：硅磚生產(chǎn)配料，細顆粒配比應(yīng)適當大些，且臨界顆粒尺寸不宜太大，一般以23mm為宜。這樣有利于減小硅磚的燒成膨脹和開裂，也有利于提高鱗石英的生成量大顆粒溶解慢、轉(zhuǎn)變慢。2. 成型：關(guān)鍵是調(diào)整好坯料的顆粒組成、水分和礦化

20、劑、結(jié)合劑等含量，同時采取較高的成型壓力，以保證磚坯的密度和強度。成型壓力一般應(yīng)100150 MPa，生坯密度控制為2.22.3g/cm3。臨界粒度：顆粒大易壓碎、轉(zhuǎn)變時體積膨脹大而易開裂；細粉數(shù)量：轉(zhuǎn)變時體積膨脹小、與礦化劑作用及燒結(jié)性增強31mm: 3545 %; 10.088mm：2025；0.088mm: 3540 %第29頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六二、硅磚生產(chǎn)工藝要點3. 燒成： 硅磚燒成的控制難度較大，原因在于： 硅磚燒成時產(chǎn)生的體積膨脹較大；燒成時產(chǎn)生的液相較少（10%）。3.1 燒成溫度：控制為1430，過高會導(dǎo)致方石英量增多。3.2 保溫時間：在

21、最高燒成溫度下，要注意根據(jù)制品的形狀大小、質(zhì)量要求等因素，進行足夠時間的保溫。通常保溫時間在2048 h 之內(nèi)選擇。3.3 冷卻制度：最高燒成溫度600800：快冷600800常溫：慢冷3.4 燒成曲線制定原則：按一定速度平穩(wěn)升溫，止火溫度正確，弱還原氣氛燒成。第30頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六燒成制度制訂原則： 石英的相變（石英，石英 方石英 方石英） 原料的轉(zhuǎn)變速度（快速轉(zhuǎn)變，升溫和止火溫度） 添加物的數(shù)量和性質(zhì)（液相多，升溫） 磚塊的形狀大小（大塊及異型，升溫） 20600 20 小時（快） 6001100 25 小時（最快） 11001300 10 小時 1

22、3001350 5 小時（慢） 13501430 2 小時（最慢）二、硅磚生產(chǎn)工藝要點第31頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六 （1） 150 自由水 （2） 450500 Ca(OH)2分解，磚坯結(jié)合強度 （3） 550650 石英石英 （4） 600700 CaO與SiO2的固相反應(yīng)開始，磚坯結(jié)合強度 2CaO SiO2 2CaOSiO2 2CaOSiO2SiO22（CaOSiO2） （5）10001100 生成固溶體： CaOSiO2FeOSiO2CaOSiO2FeOSiO2 （6）1200： 與雜質(zhì)如Al2O3、Na2O等作用形成液相（8-10 %）， 潤濕石英顆粒，石英轉(zhuǎn)變速度。 （7）13001350 鱗石英和方石英 （8）13501430 鱗石英，方石英3.5 硅磚燒成過程中的主要物理化學(xué)變化第32頁，共36頁，2022年，5月20日，1點26分，星期六2、硅鉻磚：抗氧化鐵和熔渣侵蝕性強3、硅鋯磚和硅