Силикатный кирпич — это огнеупорные материалы на основе кислоты-, состоящие в основном из тридимита, кристобалита и небольшого количества остаточного кварца и стекла. Они обладают высокой устойчивостью к кислому-шлаку, но подвержены коррозии щелочным шлаком и уязвимы к коррозии, вызываемой оксидами, такими как Al₂O₃, K₂O и Na₂O. Их тугоплавкость под нагрузкой высока и составляет от 1640 до 1680 градусов, что близко к температурам плавления тридимита и кристобалита (1670 градусов и 1713 градусов соответственно). Их самым большим недостатком является низкая термостойкость, но их тугоплавкость аналогична тугоплавкости под нагрузкой. Они выдерживают длительное-использование при высоких температурах без деформации, помогая обеспечить конструктивную прочность каменных конструкций в процессе эксплуатации.
Силикатный кирпич в основном используется в перегородках камер карбонизации и сгорания коксовых печей, а также в крышах или сводах ям для выдержки, доменных печах, кислых мартеновских печах и стекловаренных печах. В технологии производства чугуна новые технологии, такие как прямое восстановление и восстановление расплавом, постепенно трансформируются в производительные силы. В коксохимической промышленности разработан «формованный кокс», получаемый без применения коксовой печи, способный частично заменить традиционный кокс.
Кремнеземные огнеупорные кирпичи, как и большинство спеченных огнеупорных кирпичей, производятся полусухим способом и обжигаются в туннельных печах. Трещины, возникающие в процессе производства, являются одной из основных причин высокого процента брака.
Типы трещин в силикатном кирпиче
Трещины в кремниевом кирпиче можно разделить на поверхностные и внутренние трещины, последние также известны как трещины слоя. Поверхностные трещины подразделяются на поперечные трещины, продольные трещины и сетчатые трещины. Силикатные кирпичи производятся методом полу-сухого прессования-формования для получения плотных сырых тел. Трещины, возникающие вдоль направления давления, приложенного к неспеченному телу, являются поперечными трещинами, а трещины, возникающие перпендикулярно направлению давления, являются вертикальными трещинами. Сетчатые трещины состоят из нескольких трещин, расположенных паутинкой на поверхности силикатного кирпича.
Обычно для стандартного силикатного кирпича сырец прессуется по всей его толщине. Процесс формования кварцевого огнеупорного кирпича по существу представляет собой процесс уплотнения частиц внутри заготовки и удаления воздуха, в результате чего образуется плотная заготовка. После машинного-прессования кирпичи обладают такими преимуществами, как высокая плотность, прочность, минимальная усадка при высыхании и обжиге, а также легко контролируемые размеры изделия. Однако если процесс машинного-прессования контролируется неправильно, в процессе прессования в заготовке могут образоваться пластинчатые трещины, перпендикулярные направлению давления. Следовательно, пластинчатые трещины или просто расслоения внутри кремнеземного огнеупорного кирпича также являются продольными трещинами.
Большие расслоения можно обнаружить сразу после того, как кирпичи сформированы или высушены. Однако незначительные расслоения внутри кирпичей становятся заметными только после обжига, поскольку они продолжают расширяться из-за термических напряжений во время обжига. Кирпичи, содержащие трещины, особенно пластинки, склонны к разрушению, что делает их непригодными для использования и снижает выход изделий из силикатного кирпича.
Основные меры по образованию и предотвращению трещин в силикатном кирпиче
1. Машинное прессование
Расслоения в силикатном кирпиче возникают в первую очередь из-за неправильного контроля процесса машинного-прессования и иногда называются трещинами машинного-прессования. Сырье и заготовки силикатного огнеупорного кирпича состоят из трех фаз вещества: твердой, воды или других связующих и воздуха. В течение всего процесса механического компрессионного формования или штамповки количество твердой и жидкой фаз не изменяется, при этом количество воздуха в заготовке сжимается и уменьшается за счет действия давления, соответственно уменьшается и объем сжимаемой заготовки. Процесс штамповки можно условно разделить на следующие три этапа: (1) На первом этапе под действием давления частицы в заготовке начинают двигаться и перестраиваться в более плотную стопку. Характерной чертой этого процесса является явное сжатие. Когда давление возрастает до определенного значения, оно переходит на вторую стадию. (2) На втором этапе частицы подвергаются хрупкой и упругой деформации. После того как заготовка сжимается до определенной степени, дальнейшее сжатие затруднено. Когда давление увеличивается и достигает внешней силы, которая заставляет частицы снова деформироваться, заготовка повторно-сжимается, и плотность заготовки соответственно увеличивается. На этом этапе сжатие и повышение давления становятся короткими и частыми. (3) На третьем этапе, при предельном давлении, относительная плотность заготовки в основном стабильна и ее трудно увеличить. Прессование кирпичной заготовки завершено. В процессе компрессионного формования задержку расширения сырца из-за эластических последствий необходимо контролировать на уровне менее 2%. Невыполнение этого требования часто приводит к браковке продукта в процессе прессования. Если неспеченное изделие образует «слоистую плотность» вдоль направления приложенного давления с разницей плотностей, превышающей 2%, внутри неспеченного изделия вероятно возникновение слоистого растрескивания. Это приводит к неравномерному термическому расширению при обжиге, что приводит к значительным термическим напряжениям и образованию продольных трещин, параллельных слоям плотности, что приводит к браковке изделия.
Во время прессования давление используется для преодоления внутреннего трения между частицами, внешнего трения между частицами и стенками формы и деформации прессованного сырца. По мере увеличения расстояния от прессующей головки внутреннее давление сырого тела уменьшается.
Поэтому при прессовании силикатного кирпича лучше использовать короткие формы с небольшим соотношением сторон, а не высокие формы с большим соотношением сторон, чтобы обеспечить равномерное распределение давления внутри сырца. При этом в заготовку вводятся определенные пластификаторы и поверхностно-активные вещества для снижения внутреннего трения и потерь при передаче давления; обработка пресс-форм улучшается или смазывается для уменьшения внешнего трения; двустороннее-прессование используется для уменьшения соотношения L/D заготовки; и многократное повышение давления, начиная с легкого, а затем и сильное, используется для предотвращения накопления чрезмерного давления внутри заготовки и устранения упругих последствий. Эти меры улучшают однородность давления и плотности внутри заготовки. Это предотвращает высокую плотность вблизи поверхности давления и низкую плотность вдали от поверхности давления внутри заготовки из силикатного кирпича, тем самым уменьшая образование слоёв и трещин.
Кроме того, заготовки силикатного кирпича готовят путем смешивания заполнителя, клинкера, порошка шаровой мельницы, минерализатора, отработанного щелока сульфитной целлюлозы и пластификатора. Улучшение процесса замеса заготовки также может способствовать увеличению плотности заготовки. С точки зрения технологии физического смешивания движение материалов в одной фазе называется перемешиванием, движение материалов в разных фазах - перемешиванием, а смешивание высоковязких жидкостей и твердых тел - замешиванием (замешиванием и перемешиванием). Благодаря правильному замешиванию более крупные частицы можно покрыть мелким порошком, эффективно удаляя газы и увеличивая уплотнение кирпича, тем самым уменьшая пористость кирпича.
2. Процесс обжига
Спекание силикатного кирпича по существу представляет собой поликристаллическое превращение SiO2. Под действием минерализаторов кремнеземное сырье медленно спекается, превращаясь по существу в тридимит и кристобалит с небольшим количеством остаточного кварца. Во время использования огнеупорные кирпичи из кремнезема испытывают общее объемное расширение от 1,5% до 2,2% при нагревании до 1450 градусов. Это остаточное расширение герметизирует растворные швы, обеспечивая хорошую герметичность и структурную прочность кладки из кварцевого кирпича. Кроме того, это поликристаллическое преобразование SiO2 требует, чтобы кварцевые огнеупорные кирпичи были в центре внимания при мониторинге огнеупорных материалов на начальном этапе обжига в печи, при этом их характеристикой является медленная и равномерная скорость нагрева. Поскольку кристаллическое превращение - и -кристобалита в кремнеземных огнеупорных кирпичах сопровождается значительным объемным эффектом в диапазоне температур 150-300 градусов, следует проявлять особую осторожность для медленного повышения температуры в этом диапазоне во время обжига.
Физические и химические изменения, происходящие при обжиге силикатного кирпича, можно резюмировать следующим образом:
① Остаточная влага в кирпичах удаляется при температуре ниже 150 градусов.
② Ca(OH)2 начинает разлагаться при 450-550 градусах и завершается при 550 градусах. В этот момент связи между частицами силикатного кирпича разрушаются под действием СаО и других веществ, что приводит к снижению прочности и хрупкости кирпича.
③ При температуре 550-650 градусов -кварцевые кирпичи превращаются в монокварц, вызывая объемное расширение.
④ При температуре 600-700 градусов происходит твердофазная реакция между CaO и SiO2, повышающая прочность кирпича.
⑤ При температуре 800-1100 градусов в кирпичах происходит реакция жидкой-фазы, быстро увеличивающая прочность кирпича. Начиная с 1100 градусов, скорость преобразования кварца значительно увеличивается, и образуется кварц низкой плотности, вызывающий значительное объемное расширение.
⑥ При 1300-1350 градусах из-за увеличения количества тридимита и кристобалита истинный удельный вес сырца снижается, а объемное расширение увеличивается, что может привести к растрескиванию.
⑦ При температуре 1350–1470 градусов степень преобразования кварца и связанное с этим расширение очень велики. Только монокварц, метастабильный кристобалит, минерализаторы и примеси взаимодействуют с образованием жидкой фазы и внедряются в частицы кварца с образованием трещин при образовании метастабильного кристобалита, что способствует непрерывному растворению монокварца и метастабильного кристобалита в образовавшейся жидкой фазе, превращая его в пересыщенный расплав кремния и кислорода, а затем непрерывно кристаллизующийся из расплава в виде стабильного тридимита. В это время, чем выше вязкость жидкой фазы, тем выше скорость преобразования силикатного кирпича и тем выше вероятность образования трещин в сыром теле кирпича. Поэтому, чтобы предотвратить изменение кристаллической формы силикатного кирпича в процессе обжига, сопровождающееся большими изменениями объема, приводящими к образованию трещин, необходимо принять следующие технологические мероприятия:
(1) Контролируйте скорость нагрева в различных диапазонах температур обжига. Скорость нагрева должна быть замедлена, когда температура ниже 600 градусов. Скорость нагрева можно ускорить, когда температура составляет от 600 до 1000 градусов. Скорость нагрева должна быть медленной, когда температура составляет от 1100 до 1300 градусов. Когда температура находится между 1300 градусами и температурой обжига (от 1430 до 1450 градусов), скорость нагрева должна быть самой медленной во время процесса обжига. Когда обожженные кварцевые кирпичи охлаждаются ниже 600 градусов, особенно при 300 градусах, их следует охлаждать медленно. Это может эффективно смягчать изменение объема в результате кристаллической трансформации, повышая содержание тридимита и кристобалита и избегая образования трещин.
(2) На этапе высокотемпературного обжига следует использовать восстановительную атмосферу, которая способствует минерализации низко-оксида железа и способствует крупномасштабному-производству тридимита. В противном случае в окислительной атмосфере, особенно при недостаточном минерализаторе, большая часть -кварца превращается в -кристобалит. Такое преобразование называется «сухим преобразованием». Во время сухого преобразования из-за неравномерного объемного расширения тела кирпича и отсутствия буферного напряжения жидкой фазы структура продукта становится рыхлой и трескается. При этом на разных температурных стадиях обжига силикатного кирпича следует проводить соответствующую изоляцию, чтобы обеспечить приемлемый фазовый состав и соответствие силикатного кирпича требованиям эксплуатации.
(3) Улучшите систему загрузки полуфабрикатов-, чтобы уменьшить вероятность появления трещин. Поперечные трещины в силикатном огнеупорном кирпиче, то есть трещины, параллельные направлению давления изделия, обычно возникают из-за неравномерного нагрева различных частей изделия при обжиге. Чаще всего они появляются на-подверженной огню поверхности за пределами кирпичной стопки, особенно на поверхности верхнего изделия. Сетчатые трещины на поверхности силикатного шамотного кирпича, помимо микроскопических неровностей самого сырца, возникающих вследствие неравномерного замеса или изменения сырья, обычно возникают из-за нагревания изделия при слишком высокой температуре с большими колебаниями. При загрузке специальные кремниевые кирпичи необходимо размещать внутри вагонетки печи, а стандартные обычные кирпичи необходимо размещать снаружи вагонетки печи; выступающие части кирпичей специальной-формы или склонные к растрескиванию части следует располагать внутрь; верхнюю часть тележки печи следует покрыть тонкими кирпичами, чтобы избежать прямого воздействия пламени и т. д. В противном случае возникнет больше трещин.
Трещины являются основным фактором, влияющим на выход и производительность кремниевого кирпича. Освоение процессов прессования и обжига является ключом к предотвращению трещин в силикатном кирпиче. Теоретическая и фактическая конверсия кремнеземного сырья различается, и график обжига необходимо корректировать в реальном времени с учетом изменений в сырье, типе кирпича и других факторах. Подготовка и качество заготовок силикатного кирпича являются важными, даже решающими факторами. Только при строгом контроле каждого этапа процесса можно-производить высокоэффективный силикатный кирпич эффективно и с низким энергопотреблением.
