杂质含量对硅砖高温性能的影响.pdf
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1、11耐火与石灰2023 年 8 月第 48 卷 第 4 期杂质含量对硅砖高温性能的影响李愿1贺粉霞1翟皖予1史改军1董宾宾2(1.中钢洛耐科技股份有限公司,洛阳471039;2.洛阳理工学院,洛阳471023)摘要:硅砖中的杂质对其耐火度、荷重软化温度有一定影响,一定量的杂质能够促进石英进行晶型转化,有利于降低硅砖的真密度和热膨胀率。生产中要充分考虑各种杂质对产品不同性能的影响,科学控制 Na2O、K2O和 Al2O3等杂质含量,使产品的综合性能更好。关键词:硅砖;杂质;耐火度;荷重软化温度;真密度;热膨胀率;高温性能中图分类号:TQ175.711文献标识码:A文章编号:1673-7792(2
2、023)04-0011-04Effect of impurity content on high temperature properties of silicon brickLiYuan1HeFenxia1ZhaiWanyu1ShiGaijun1DongBinbin2(1.SinosteelLuonaiMaterialsTechnologyCorporation,Luoyang471039,China;2.LuoyangInstituteofScienceandTechnology,Luoyang471023,China)Abstract:Theimpuritiesinsilicabrick
3、haveacertaineffectonitsrefractorinessandrefractorinessunderload,acertainamountofimpuritiescanpromotethecrystaltransformationofquartz,whichisbeneficialtoreducethetruedensityandthermalexpansioncoefficientofsilicabrick.Theeffectsofvariousimpuritiesondifferentpropertiesoftheproductshouldbefullyconsidere
4、dintheproduction,andthecontentsofimpuritiessuchasNa2O,K2OandAl2O3shouldbescientificallycontrolledsoastoimprovethecomprehensivepropertiesoftheproduct.Key words:Siliconbrick;Impurity;Refractoriness;Refractorinessunderload;Truedensity;Thermalexpansioncoefficient;Hightemperatureproperties1前言硅砖主要用于玻璃窑、焦炉
5、、炭素炉和高炉配套的热风炉等热工设备。其典型性能是荷重软化温度高,具有残余膨胀,使用过程中砌筑体能够保证良好的气密性和结构强度。随着炉窑的大型化发展,对其砌筑用硅砖的各项质量要求也越来越高,玻璃窑、焦炉和热风炉用硅砖的国家标准中对Al2O3、K2O、Na2O的含量都进行了限定,焦炉和热风炉硅砖对Fe2O3、CaO的含量也提出了限制要求。本文就Al2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO等杂质对硅砖的耐火度、荷重软化温度、真密度和热膨胀率等高温性能的影响进行了总结和探究。2杂质含量对硅砖高温性能的影响2.1杂质含量对硅砖耐火度的影响耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化程度的温度,表征材料抵抗高
6、温作用的性能。张慧荣等1认为,就硅砖而言,最有害的杂质为Li2O、Al2O3,其次为K2O、Na2O,如以CaO、MnO、FeO为矿化剂是可取的。李广平2-3发现CaO、MgO和FeO能与SiO2形成二液区(图1和图2),不降低硅砖的耐火度,可以做硅砖的矿化剂。李素平等4认为硅砖矿化剂的作用是与SiO2或其他杂质形成低熔点的高温液相,促使石英在烧成过程中转化为鳞石英和方石英,同时可以缓冲烧收稿日期:2022-10-24作者简介:李愿(1969-),女,高级工程师12Aug.2023Vol.48 No.4REFRACTORIES&LIME成过程中相变过快引起体积急剧膨胀而导致制品的松散和开裂。而
7、MgO与SiO2虽然形成二液区(图2),但其共熔点1543高于鳞石英最高稳定温度1470,不能在低于1470时形成液相,所以MgO不宜做硅砖的矿化剂,只有CaO和FeO适宜做矿化剂。而Al2O3、Na2O和K2O与SiO2不形成二液区,会大幅降低硅砖的耐火度,Na2O、K2O对硅砖耐火度的影响比Al2O3更为明显。田凤仁等5认为R2O-SiO2系统(图3和图4)中K2O、Na2O与SiO2的共熔温度分别为767和793,不仅出现液相的温度低,且液相一旦出现就数量可观,足以恶化硅砖的高温使用性能,Al2O3和Na2O(K2O)各0.5%就会使硅砖的耐火度降至1700以下。但是对于Al3+离子,在
8、图5所示的CaO-Al2O3-SiO2三元相图中,在有CaO存在时,少量Al2O3其组成点会通过二液区,这会稍微提高硅砖的耐火度。同时,由图6的R2O-SiO2二元富SiO2相图可知,微量R2O与SiO2高温下并无共熔作用而形成固熔体,尽管固熔体存在的组成范围随温度升高而趋于缩小,但高温下总存在一个临界组成范围,可见R2O对SiO2的强熔剂作用应有一个从量变到质变的转化过程。只要R2O含量不超过这一临界范围,就不会构成对SiO2的强熔剂作用。综上所述,CaO、MgO和FeO不降低硅砖的耐火度,CaO和FeO适宜做矿化剂,而MgO不适宜;Al2O3、Na2O和K2O会大幅降低硅砖的耐火度,但有C
9、aO存在时,少量Al2O3还会稍微提高硅砖的耐火度;如果将R2O含量控制在一定范围,也不会对SiO2起强熔剂作用,不会降低耐火度。2.2杂质含量对硅砖荷重软化温度的影响耐火材料的荷重软化温度是指材料在承受恒定压负荷并以一定升温速率加热条件下产生变形的温度。它表示耐火材料同时抵抗高温和荷重两方面作用的能力,在一定程度上表明制品在其使用条件相仿情况下的结构强度。陶跃红等6根据长期、大量的不同厂家硅砖的化学成分和荷重软化温度测量,并对数据进行统计、分析、建立数学模型等方式,同时根据SiO2-CaO-Al2O3、SiO2-CaO-K2O等相图,得出如下结论。(1)硅砖荷重软化温度与Al2O3、R2O、
10、SiO2含量有关系,具体关系如下:荷重软化温度=1 730-10(SiO2-95.9)-73Al2O3-140R2OAl2O3和R2O含量越高,荷重软化温度越低。硅砖中SiO2含量对荷重软化温度有影响,并非SiO2含量越高越好,而是以SiO2含量95.9%为转折点。当SiO2含量小于95.9%时,荷重软化温度与SiO2含量正相关;当SiO2含量大于95.9%时,荷重软化温度与SiO2含量负相关,每增加0.1%的SiO2含量,荷重软化温度下降1。2200210020001900180017001600150014001300温度/重量/%1470154315571703镁橄榄石+液相方石英+液相
11、原顽火辉石+液相镁橄榄石+原顽火灰石 原顽火灰石+鳞石英原顽火灰石+液相液相二液区17232MgO.SiO2MgO.SiO2 8090SiO2200018001600140012001000800温度/重量/%液相二液区1707147011251460867143615441464硅钙石+液相硅钙石+假银星石硅钙石+硅灰石硅钙石+-Ca2SiO4硅钙石+-Ca2SiO4-Ca2SiO4+液相3CaO.2SiO2CaO.SiO2假银星石+液相假银星石+鳞石英硅灰石+鳞石英硅灰石+石英方石英+液相鳞石英+液相60708090SiO221002000190018001700160015001400温
12、度/重量/%方石英+液相3Al2O3O.2SiO260708090SiO2Al2O310液相莫来石+液相刚玉刚玉莫来石液相莫来石+方石英莫来石+鳞石英莫来石202018501840+159014701723图 CaO-SiO2系统相图图MgO-SiO2系统相图图Al2O3-SiO2系统相图13耐火与石灰2023 年 8 月第 48 卷 第 4 期(2)硅砖中适当的CaO含量,有助于荷重软化温度的提高。如图5所示,硅砖中在Al2O3较低的情况下,若SiO2很高,CaO很低,硅砖的组成落在SiO2-CaO组成的二液区之外,相反略微降低SiO2含量,略微提高CaO含量,使硅砖的组成点进入二液区,反而
13、有助于提高硅砖的高温性能,也可减少因缺乏矿化剂造成的“干转化”,改善制品的开裂现象。2.3杂质含量对硅砖真密度的影响真密度是表征硅砖产品质量好坏的关键指标,是表征硅砖石英转化程度的重要标志之一。田晶晶等7认为硅砖中的二氧化硅主要以3种矿物相形式存在,分别是石英、方石英和鳞石英。3种矿物相的真密度不同,鳞石英最小,方石英次之,石英最大。硅砖的真密度越小,说明烧结过程中石英转化为鳞石英和方石英的程度越好,残余石英含量越低,其高温体积稳定性也越好,在烘炉和使用过程中的残余膨胀越小。理论上石英在867转化为鳞石英,在1470转化为方石英。-石英867-鳞石英1470-方石英对硅砖试样的电子探针(EPM
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