第五章硅质、硅酸铝质及刚玉质耐火材料

1、第五章 硅质、硅酸铝质及刚玉质耐火材料Al2O3SiO2系耐火材料可分为硅质、硅酸铝质及刚玉质三大类。硅质耐火材料是指SiO2含量在93以上的耐火制品。硅酸铝质耐火材料是以A12O3和SiO2为基本化学组成的耐火材料，其主晶相是刚玉或莫来石，根据Al2O3含量的高低，硅酸铝质耐火材料又可以分为以下三类：半硅质制品，Al2O3含量为1530%；粘土质制品，Al2O3含量为3048；高铝质制品，Al2O3含量>48（用天然高铝料生产的一般低于90）。由于在高铝砖的组成中有一个稳定的化合物莫来石，用人工方法可制造出接近理论组成的莫来石矿物相，因此在高铝质耐火材料中又单列出莫来石制品，其Al2O

2、3含量为6895。刚玉质耐火材料是Al2O3含量在95以上的耐火制品，其主晶相是刚玉。目前，硅质、硅酸铝质及刚玉质耐火材料广泛应用于冶金、玻璃、水泥、石油化工等工业生产领域所用热工设备的内衬结构材料。第一节 硅质耐火材料硅质耐火材料是以二氧化硅（SiO2）为主要成分的耐火制品，包括硅砖、特种硅砖及熔融石英陶瓷制品。硅质耐火制品的典型代表是硅砖，它是以石英岩为原料，加入少量矿化剂，在高温下烧成后制得的。其SiO2含量大于93，矿物组成为鳞石英、方石英、少量残余石英和玻璃相。硅砖的主要优点是：具有较高的高温强度，荷重软化开始温度高（在16401680 间波动），几乎与其耐火度接近，接近鳞石英、方石

3、英的熔点(分别为1670 和1713 )；加热时有一定的体积膨胀，其残余膨胀保证了砌筑体有良好的气密性和结构强度。硅砖的最大缺点是抗热震性低，其次是耐火度不高（仅为16901730 ），这限制了其广泛应用。 硅质制品属于酸性耐火材料，对酸性炉渣抵抗力强，但受碱性渣强烈侵蚀，易被含 Al2O3、K2O、Na2O等氧化物作用而破坏，对CaO、FeO、Fe2O3等氧化物有良好的抵抗能力。目前，硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、高炉热风炉以及其他热工设备。一、硅砖生产的物理化学原理 硅石原料和硅砖的主要成分均为SiO2。由于SiO2在不同温度下以不同的晶型存在，并在一定条件下可以互相转变，同时在晶型转变时伴

4、随体积变化而产生应力，因此了解SiO2各种晶型的性质和它们之间的转换条件，以及矿化剂对其晶型转化的影响，对硅砖的制造、生产和使用均有重要意义。（）SiO2的同质多晶转变SiO2在常压下有7个变体和1个非晶型变体，即-石英，-石英，-鳞石英，-鳞石英，-鳞石英，-方石英，-方石英，以及石英玻璃。SiO2各种变体的性质和稳定存在温度范围见表51。SiO2各晶型间的转变温度以及体积变化值见图51。表51 SiO2各种变体的性质和稳定存在温度范围变 体晶 系真密度，g·cm-3稳定温度范围，-石英三方晶系2.65573-石英六方晶系2.53573870-鳞石英斜方晶系2.372.35117-

5、鳞石英六方晶系2.24117163-鳞石英六方晶系2.238701470-方石英斜方晶系2.312.32180270-方石英等轴晶系2.2314701723石英玻璃无 定 形2.201713（急冷）从图51中可看出，SiO2各变体间的转变可分为两类：第一类是高温型转变，即石英、鳞石英、方石英之间的转变。由于它们在晶体结构和物理性质方面差别较大，因此转变所需的活化能大，转变温度高而缓慢，并伴随有较大的体积效应。有矿化剂存在时可显著加速转变，无矿化剂时实际上不能转变。第二类是低温型转变，即石英、鳞石英、方石英本身的、型的转变，由于它们在结构和性质方面差别很小，因此转变温度低，转变速度快，而且转变是

6、可逆的，所伴随的体积效应也比高温型的小。由于SiO2各种变体的晶体结构不同，其密度不同，因此它们在转变过程中有体积效应产生。由图51中给出的体积变化值可以看出，SiO2各种变体在转变时所产生的体积变化是不一样的：快速转变时所发生的体积变化比慢速转变时所发生的体积变化小，其中鳞石英型转变时的体积变化较小，方石英型的较大。图51 SiO2的晶型转变及体积变化值 由于方石英的熔点是1728 ，鳞石英是1670 ，而石英是1600 ，因此，从提高制品的耐火度方面考虑，方石英是比较有利的；但从体积稳定性来看，鳞石英具有较高的体积稳定性；同时鳞石英具有矛头状双晶相互交错的网络状结构，可使硅砖具有较高的荷重

7、软化温度及高温结构强度。当硅砖中有残余石英存在时，由于它在使用中会继续进行晶型转变，体积膨胀较大，易引起砖体结构松散而降低制品的使用性能。综上所述，一般希望烧成后硅砖中含大量鳞石英，方石英次之，而残余石英愈少愈好。在硅砖生产中，石英的转变程度可用硅砖的真密度来衡量。硅砖的密度一般应小于2.38 g·cm3，优质硅砖的密度在2.322.36g·cm3之间。另外，由于硅砖生坯在烧成升温过程中，发生-石英-鳞石英-方石英的晶型转变，体积膨胀较大；而在冷却过程中，发生型型型的晶型转变，体积收缩较小，因此烧成后硅砖的体积要大于生坯的体积。砖质制品烧成时的体积膨胀程度取决于原料性质、结

8、构、转化程度、烧成时间和温度等多种因素。实际上，由于制品内SiO2转化不完全，硅质制品烧成时的膨胀率在34之间。（二）矿化剂的作用及原理 矿化剂的作用是促进石英在烧成时转变为低密度的变体(鳞石英和方石英)而不显著 降低其耐火度。它还能防止砖坯烧成时因发生急剧膨胀而产生的松散和开裂。石英转变为鳞石英或方石英时，在矿化剂很少或几乎没有时，-石英就形成-方石 英，这种转变称为“干转化”。在干转化时，由于砖体的不均匀的体积膨胀很大，而又无液相缓冲应力，因而会引起制品结构松散和开裂，不可能制得良好性能的制品。而当有足够数量矿化剂存在时，-石英在573 转变为-石英，在12001470 范围内，-石英很快

9、转变为亚稳定方石英，同时-石英、亚稳定方石英和矿化剂及杂质等相互作用形成液相，并侵入到石英颗粒在形成亚稳定方石英时出现的裂纹中，促进-石英和亚稳定方石英不断地溶解于所形成的液相中，使之形成硅氧过饱和溶液，然后以稳定的鳞石英形态不断地从液相中结晶出来。这个转变速度取决于所加矿化剂的性质和数量。同时，所形成的液相还能缓冲由于转变过程中体积膨胀所产生的应力，提高砖坯的加热体积稳定性和强度，防止焙烧过程中制品的松散和开裂现象。在硅砖泥料中加入矿化剂，能促进石英在高温下转变成鳞石英和方石英。但矿化剂对对制品性能也有不利的一面，即降低制品的耐火度。因此在硅砖制造过程中，对矿化剂的选择是很重要的，要求既能促

10、进石英在烧成时转变为鳞石英和方石英，又不能显著降低制品的耐火性能，而且比较经济和容易获得。不同物质对石英转化程度的影响见表52。表52 不同物质对石英转化程度的影响 物质名称真密度g·cm3石英转化量无矿化剂TiO2Al2O3BaO或Cr2O3CaOMnO2Fe2O3FeONa2SiO3Na2CO3K2CO32.6502.6252.6152.6052.5852.5802.5502.5302.3902.3502.32503612142329728592由表中可看出，促进石英转化最有利的物质是K2CO3、Na2CO3、Na2SiO3，其次是FeO、Fe2O3、MnO2和CaO，其他物质的

11、矿化作用不大。虽然K2CO3、Na2CO3和Na2SiO3能强烈地促进石英的转化，但实际生产中不采用这类物质作矿化剂。因为它们对硅砖的耐火性能影响很大，加入少量就会显著降低耐火度；此外，这些物质干燥时会析出到砖坯表面上来，造成砖坯内部和表面矿化剂含量不同，导致内外的晶型转变不一致而造成制品开裂。在生产中厂泛采用的矿化剂有石灰CaO，CaO对硅质原料的耐火度降低不大，并有足够的矿化作用，同时它还起到结合剂的作用，使泥料具有结合性和可塑性，从而使砖坯干燥后具有一定强度。为了进一步提高石英的转变程度，减少砖坯烧成时的膨胀和松散，以及减少制品的裂纹，还与石灰一起加入铁鳞（FeOFe2O3）。因为加入铁

12、氧化物可以显著降低液相出现温度和粘度。目前硅砖生产中广泛采用石灰一铁鳞作为矿化剂。 矿化剂的加入量应根据原料特性，制品的性能要求和使用条件来确定，通常加入量不应超过34。二、硅砖的生产流程及工艺要点（一）制造硅砖的生产流程 硅砖的生产工艺流程与其他砖种的相似，不同点在于增加了矿化剂（铁鳞粉和石灰乳）的制备系统。制造硅砖的工艺流程如图52所示。图52 国内某厂的硅砖生产工艺流程（二）对原料的技术要求和加工1对硅石原料的技术要求（1）硅石我国生产硅砖所用硅石主要是天然硅石。耐火材料用硅石分为GS98.5、GS98、GS97、GS96四个牌号，其理化指标应符合本书第四章中表47的要求，其粒度应符合表

13、53的要求。同时还要求制砖用硅石原料中不得混入废石、角烁状硅石、风化石等，硅石表面不允许有直径大于5的各种有害物包裹体。 （2）废砖制造硅砖可以掺入部分废硅砖作原料，其理化性能需达到以下要求：SiO2含量94，耐火度1690 。用于制砖生产的废砖，要求其表面不能附着火泥及碱性杂质侵蚀物，而且砖表面因金属物造成的显著变色部分应15 mm，超过时需经过处理后方可使用。表53 对硅石原料的粒度要求（YBT 52681999） 粒度范围mm最大粒度mm最大粒度的含量下限上限20405010840607010860120140105120160170108160250260862原料的洗涤由于硅石中经常

14、混入泥土和夹杂物，对原料和制品高温性能的影响很大，所以使用前必须进行挑选和洗涤。目前一般采用在板式输送机、运输车辆、料槽中进行冲洗的简易措施。3原料的加工硅石、干燥废坯和烧成废砖一般采用颚式破碎机进行破碎。破碎后的块度一般要求在40 mm以下。破碎后的硅石进入短头圆锥破碎机、双辊式破碎机、干碾粉碎机中进行粉碎。粉碎后的硅石料、废坯和废砖采用单层筛(或振动筛)进行筛分，其中<0.5 mm的颗粒不是很多(通常在30%45%范围内)，特别是<0.088 mm的细粉过少，所以还需采用筒磨机进行细磨，管磨机出料口一般采用l mm的筛网。粉料在皮带运输过程中应用电磁铁(或磁铁)除铁，并选出料中

15、杂质。硅石细粉中<0.088 mm的含量一般控制在8590%，对硅石细粉的细度要求列于表54。表54 国内一些硅砖生产厂对硅石粉料的粒度要求生产厂粉碎设备粉料的粒度要求粒度mm含量%A厂圆锥破碎机20.50.10.181820253540筒磨机0.197B厂筒磨机0.08890C厂筒磨机0.190D厂筒磨机0.192（三）粒度组成的选择硅质坯体加热时的松散和烧结能力取决颗粒组成中粗细两种粒度的性质和数量。粗颗 粒转变在很大程度上发生在细颗粒转变和砖体开始形成(烧结)之后。所以粗颗粒转变时体积膨胀是砖体趋于松散以至开裂的基本因素。烧成时转变程度愈高，粗颗粒的松散作用也愈大。相反，细颗粒多处

16、于颗粒堆积的孔隙中，不仅细颗粒本身的膨胀对砖坯的膨胀影响 小，而且在高温下它与矿化剂作用使烧结能力增强。特别是小于0.088mm的细颗粒是促进砖坯烧结具有最大活性的部分。因此希望在砖坯中有足够的细颗粒含量，以提高砖坯的烧结性。采用细颗粒组成的砖坯时，在烧成时有利于减少膨胀，减少砖膨胀与颗粒组成的体的裂纹和体积变化，提高成品率，还可提高制品中鳞石英的含量，但泥料颗粒过细，也将导致硅砖气孔率的提高。 砖坯的密度及其烧结能力是决定硅砖的致密度的两个主要因素。但最致密的砖坯不一定制得最低气孔率的硅砖。在加入物不变的情况下，粒度系数，即0.088 mm的细粉含量与临界粒度颗粒含量的比值，决定了砖坯的烧结

17、能力。实践证明，当临界粒度为3 mm时，粒度系数，即0.088 mm与31 mm颗粒的含量比为0.751.00的条件下，硅砖的气孔率、密度和外观质量都较好。临界粒度不同时，砖坯烧成时烧结而不松散的粒度系数值不同。它随临界粒度的增大而提高。所以临界粒度增大时，坯体内应含有较多的细颗粒。实验证明，硅砖烧成时会产生裂纹松散倾向，而且砖密度随临界粒度的减小而降低。因此，为了提高砖的鳞石英化程度，减少体积变化和裂纹产生，提高成品率，采用较小的临界粒度是有利的。一般硅砖的临界粒度以23 mm为宜。以脉石英为原料时，多采用2 mm为最大颗粒。硅砖泥料粒度组成的要求如表55所示。 表55 硅砖泥料的粒度组成要

18、求 砖 种粒度组成（质量分数）3 mm0.5 mm0.088 mm标型砖及一般砖355652835焦炉砖355653035注：对于某些手工成型的大型和特异型砖，泥料中0.088 mm细粉的含量可增至3540。（四）结合剂的选择和石灰乳的制备1结合剂的选择制造硅砖用的结合剂有纸浆废液和石灰。用石灰(CaO)作结合剂时，一般以石灰乳的形式加入配料中。它起着塑化剂的作用，结合砖坯内的石英颗粒，在干燥过程中增加砖坯的强度，而在烧成时则成为矿化剂，促进石英的转化。因此采用石灰的质量在很大程度上决定着砖坯的性质。制造硅砖用的石灰要求活性CaO含量90，未分解的CaCO3+MgCO3含量不应超过5，杂质Al

19、2O3+ Fe2O3+SiO2的含量不超过5%。当石灰乳中含有大的欠烧CaCO3颗粒和过烧石灰时，烧成时会在成品中产生熔洞，影响制品质量，因此去必须除去或在球磨机中将其磨碎。石灰的块度应50 mm，小块(<5 mm)的含量不超过5，大块内部的颜色应与表面相同，不应掺有熔渣、灰分等杂质。也可采用硅酸盐水泥代替石灰作结合剂使用。配料时石灰加入量应换算成CaO，通常波动在1.52.5%，确切值应根据制品用途(如耐火度及使用温度等因素)、泥料的颗粒组成和原料中CaO杂质含量而定，如表56所示。表56 石灰乳中的CaO含量 浓度波美度密度g·cm3CaO含量浓度波美度密度g·c

20、m3CaO含量gL%g·L1%1819202122232425261143115211611.1701.1801.1901200121012201811932062182292422552682811585167517721861194020342125221523032728293032343638401.2301.2411.2521.2621.2851.3081.3321.3571.384295309324339371407445489525239624902587268428993123335635893841 为了进一步提高泥料的可塑性和砖坯的干燥强度，石灰乳还需与亚硫酸纸浆

21、废液混合加入，纸浆加入量应小于1%。2石灰乳的制备 石灰乳的制备方法，在机械化生产厂中，将石灰经转筒消化器和球磨机消化和粉碎。从球磨机流出的浆料经11.5 mm筛孔的筛网过滤，然后将料浆抽到搅拌筒(立式浆叶式搅拌机)中贮存一定时间，再将其送人另一搅拌机内，并调整至要求浓度，最后经过储存桶和计量桶送至混合设备使用。使用前须经过0.14 mm筛孔的检验筛，要求筛余量不超过5，石灰乳的比重应为 1.201.25。 用人工方法制备石灰乳时，可将石灰和水加入一组开口的铁槽(或木槽)内，先制取浓浆，然后在另一槽内搅拌，调整浓度，再送到另一槽内贮存待用。 根据石灰的消化速度，石灰可分为：快速消化石灰(在l0

22、 min内消化完毕)；中速消化石灰(1030 min消化完)；慢速消化石灰(30 min以上消化完)。在硅砖生产中，希望采用快速消化石灰，它可以用冷水消化，而慢速消化石灰须用5060 的热水进行消化。 制备好的石灰乳应是充分消化和细分散的，呈油脂状。经充分消化的石灰乳，具有强的可塑性和结合性。石灰乳中不应含有粗粒石灰，否则会使制品干燥时开裂或烧成时产生熔洞废品。粗分散的石灰乳因矿化作用不够，会导致制品强度低，断面组织结构不良。消化石灰时，应将石灰倒人多量水中，以增加灰浆量，并制得细分散的石灰乳。为了掌握石灰乳的浓度，保证成型泥料具有必要的水分和一定数量的石灰，可以用比重计直接测其比重来表示石灰

23、乳浓度。实际操作时，首先从比重计的刻度上读出波美度数，然后从表57中查出CaO含量。（五）矿化剂的选择 在实际生产中，采用的矿化剂为轧钢皮(也叫铁鳞)、平炉渣、硫酸渣和石灰乳等。其中以采用轧钢皮和石灰乳的为多。在这种情况下，石灰乳不仅是矿化剂，而且还是结合剂。 采用轧钢皮作矿化剂时，要求FeO十Fe2O3的含量>90%。轧钢皮进厂后须经筛选和烘烤，并且不得混有铁块、油脂等杂物。为使轧钢皮在泥料中均匀分布并达到良好的矿化效果，必须在球磨机中磨碎。磨细后的轧钢皮粒度要求如下：0.5 mm 的不准有，<0.1 mm的97%。矿化剂的加入量一般不应超过34%。因为矿化剂的含量过多会强烈地降

24、低硅砖的耐火度。增加矿化剂中CaO的含量可以降低硅砖的气孔率和真密度，提高硅砖砖坯和制品的强度及成品率。目前，我国生产硅砖泥料内加入的矿化剂数量如表57所示。表57 焦炉砖泥料内矿化剂加入量使用原料及生产厂家加入量（质量分数）Fe+Fe2O3CaO石门硅石（AG厂）五台硅石（TG厂）铁门硅石（LY厂）0.50.80.51.02.03.01.82.52.02.5（六）废硅砖加入量硅砖生产过程中产生的烧成废硅砖可作为原料使用。由于烧成废硅砖已经过烧成膨胀，用其制砖可以减少砖坯的烧成膨胀与产生的应力，从而减少硅砖的裂纹，降低烧成废品。尤其是形状复杂的大型和特异型制品，更需要加入较多的废硅砖以提高成品

25、率。一般质量<25kg的异型砖可加入20的废硅砖，>25 kg的可加入30，特异型和大型制品可加入40。但加入废砖会降低制品的耐火度和机械强度，提高气孔率（见表58）。因此废硅砖加入量通常控制在20左右。表58 废硅砖加入量对硅砖制品性能的影响 废硅砖加入量砖坯体积密度g·cm3成品指标显气孔率耐压强度MPa02.262254102.162339202.142432302.112528402.042625（七）配料及混合1配料 硅砖配料多采用重量配料法配料。其配料中临界粒度一般为23 mm，细粉（0.088 mm加入量为1020%(手工成型可配到3040)，废硅砖加入量为

26、1020%(单重较大或异型砖可加入到3040)。结合剂、矿化剂的加入量按生产条件来定。硅砖的配料组成如表59所示。表59 国内一些厂家生产硅砖的配料组成 生产厂砖 种配料组成%结合剂与矿化剂的配比及加入方式硅石废砖粉A厂机压焦炉砖机压一般砖手工成型砖908580101620纸浆废液，石灰乳、氧化铁粉以混合液形式加入，其中Fe2O3 912%，CaO24%，纸浆废液56%。B厂机压一般砖振动成型砖手工成型砖908070102030纸浆废液、石灰乳以混合液形式加入，混合液比重不低于1.2，外加铁粉1%。C厂机压一般砖机压焦炉砖90901010纸浆与石灰乳以混合液形式加入，其中CaO不低于28%，纸

27、浆15%，外加氧化铁粉0.50.8%。 另外，生产中常常采用不同产地的硅石混合配料。这样可以利用它们各自不同的结晶性能和晶型转化速度来改善砖坯在烧成过程中的转化特性，使制品的鳞石英化程度提高，残余石英含量下降，减少烧成裂纹，从而得到优质硅砖。2混合 泥料的混合质量与配料的粒度级别、配料比、混合设备、加料顺序等因素有关。一般通过控制混合料的粒度组成和水分来保证混合质量。常用的混合设备有湿碾机，混砂机，单、双轴搅拌机，强制式搅拌机等。 加料顺序：将各种硅石粉和废硅砖粉按一定配比加入湿碾机中，先干混23 min，然后再加入纸浆废液、石灰乳及铁鳞粉的混合液，根据制品的用途和成型方法的要求，再混合817

28、 min，总混练时间不得少于20 min。补加水或石灰乳应在出料前10 min进行。泥料混合时间太长，会影响砖坯和制品的强度。混合时间长短取决于碾轮的重量及形状、碾盘转数、原料加入量、原料硬度、泥料的颗粒组成及成型方法等。特异型砖和手工成型泥料比机械成型的泥料要求有较长的混合时间。一些耐火厂硅砖泥料的混合时间见表510。在湿碾机中混合的缺点是颗粒再粉碎，这种再粉碎作用，在混合初始几分钟最明显。再粉碎程度取决于泥料的湿度、硅石的硬度，湿度大的料或软质硅石的再粉碎程度大些。再粉碎时，细颗粒数量会增加，粗颗粒会减少，而中间颗粒则几乎不变。增加混合料层厚度，调整碾轮与刮板的位置和碾轮与碾盘距离及角度，

29、都可以控制和减少颗粒再粉碎的程度。硅砖泥料的水分一般控制在59%。其中手工成型的为7%9%，而机压成型的为56%。混合好的硅砖泥料，以颗粒组成、水分、碱度三项作为硅砖泥料的检验指标。硅砖泥料的混合制度如表510所示。 表510 一些硅砖生产厂家的硅砖泥料混合制度 生产厂混合设备成型方式混合时间/min粒度组成（质量分数），泥料碱度1)泥料水分3 mm32 mm0.5mm0.1 mm0.088 mmA厂湿碾机机压手工11112213201455595862303832361.41.72.03.055.688.5B厂湿碾机机压振动1520311035±520302)18252)30403

30、5452.02.54.55.38.59.5C厂湿碾机机压振动1520813.5263028322.03.04.14.45.66.21) 泥料碱度指泥料中的CaO含量；2）指0.50.088 mm的颗粒含量。（八）硅砖的成型1成型压力硅砖成型的特点表现在硅砖坯料成型特性和砖坯形状复杂、单重差别大等方面。由于硅质坯料是质硬、结合性和可塑性低的瘠性料，因此它因受压而致密的能力较低。硅质坯料的成型性能受其颗粒组成、水分和加入物的影响。调整这些因素可以改善坯料的成型性能。对任何组成的坯料，增加成型压力都会提高硅砖密度。为了保证制得致密砖坯，成型压力应不低于100150 MPa。由于焦炉硅砖的形状复杂，单

31、重较大，成型厚度达160600 mm。成型这类坯体时，为了保证砖坯的密度均一，最好采用双面加压，以减少压制厚度。当采用双面加压时，砖坯和硅砖的气孔率可以降低12%，砖坯的强度也会增加，在采用细颗粒料时，这种影响更为显著。加入矿化剂会影响在加压方向上压力的传递作用。以石灰作结合剂的泥料容易传递压力，因为它能降低泥料与砖模壁间的摩擦系数。 实践证明，同时改善各种工艺条件，采取高压成型，双面加压，选择合理的颗粒组成，采用适宜的加入物等，可以制得耐压强度超过58.8 MPa，显气孔率为15%16%的致密硅砖。2成型方法硅砖的成型方法主要是用机械压制法。一些大型和复杂异型制品采用振动成型法或气锤捣固法成

32、型。成型砖坯的体积密度一般波动在2.22.3 g·cm3。硅质坯料成型时的弹性膨胀较小。但泥料颗粒较细时，其弹性膨胀会增大，坯体内部的空气难以排出，或因泥料成型水分太低，成型后砖坯强度太低，抗剪切力弱而产生层裂。适当提高泥料水分，可增加泥料的可塑性和结合性，从而提高坯体强度和组织均匀性，并减少层裂。但水分泥料过高，也会使坯料的弹性膨胀增大，并降低砖坯的强度。 由于硅砖砖坯烧成时砖体会膨胀，因此砖模的尺寸要相应缩小。硅砖制品的烧成线膨胀率通常波动在23.5范围内。不同生产厂家对硅砖砖坯的密度要求见表511。表511 不同生产厂家对硅砖砖坯的密度要求 生产厂砖 种体积密度g·c

33、m3A厂焦炉炉底和炉壁砖单重>15 kg砖其他砖2.262.222.24B厂机压一般砖，焦炉砖，玻璃窑砖机压砖，中密度砖手工成型砖2.232.202.282.302.20C厂机压成型砖振动成型砖2.242.18 砖坯出模后，应按半成品标准逐块检查，合格砖坯应放在垫有棉布条的平整干燥板上，砖坯之间应留1015 mm的距离，以便于抽检。（九）砖坯的干燥砖坯干燥是硅砖生产过程中的一个重要工序。在硅砖砖坯干燥过程中，除了排除砖坯内的游离水分外，还伴有以下的物理化学变化： 使胶体状态的Ca(OH)2变成结晶水化物Ca(OH)2·nH2O； Ca(OH)2和活性SiO2也会发生作用生成含水

34、的硅酸盐类(CaO·SiO2·nH2O)； Ca(OH)2与空气中的CO2反应生成CaCO3。上述反应的结果均使砖坯的强度提高，而且随着温度的升高，反应逐渐充分，砖坯强度也逐渐提高。用隧道干燥器可以干燥各种硅砖砖坯。对于机压成型的砖坯，由于水分含量较小，可以装在干燥车上直接推入干燥器内进行干燥，干燥后的残余水分一般控制在12；而用振动成型和手工成型的大和复杂异型砖坯，由于水分含量较大，应预先经空气自然干燥一段时间后，待砖坯在搬运过程中不变形时再装干燥车，送入干燥器内干燥，干燥后的残余水分应达到以下规定：单重5 kg的，残余水分1.5；单重在515 kg的，残余水分分1；单重

35、15 kg的，残余水分在控制在0.5左右。隧道干燥器的干燥制度一般采用：热风入口温度180±10或120±10，热风出口温度70±10或50±10。应当注意的是，在干燥含有大量废硅砖料的砖坯时，热风温度应低些，一般进入风机前不超过150180，否则，砖坯内的-石英会转化为-石英而引起坯体开裂。 （十）硅砖的烧成由于硅砖在烧成过程中发生相变，并有较大的体积膨胀，加上砖坯在烧成温度下形成的液相量较少(约10左右)，使其烧成较其他材质耐火材料困难得多。硅砖的烧成制度与砖坯在烧成过程中所发生的一系列物理化学变化，加入物的数量和性质，坯体的形状大小以及烧成窑的特性

36、等因素有关。 1硅砖在烧成过程中的物理化学变化硅砖在烧成过程中发生的物理化学变化如下：在150 以下从砖坯中排出残余水分。 在450 时，砖坯内的Ca(OH)开始分解，450500 时Ca(OH)脱水完毕，硅石颗粒与石灰的结合破坏，坯体强度大为降低。 在550650 间，-石英转变为-石英，由于转变过程中伴有082的体积膨胀，故石英晶体将出现密度不等的显微裂纹。 在600700 间，CaO与SiO2的固相反应开始，砖坯强度有所增加，反应式为:2CaO+SiO2-2CaO·SiO22CaO·SiO2+SiO22(CaO·SiO2) 至10001100 ，有固熔体Ca

37、O·SiO2-FeO·SiO2，它部分或全部地与杂质和矿化剂作用生成液相，砖坯外表呈现为玫瑰色，继之转变为淡黄色，同时砖坯的强度急剧提高。从1100 开始，石英的转变速度大大增加，砖坯的密度也显著下降，此时砖坯休积由于石英转变为低密度变体而大为增加。虽然此时液相量也在不断增加，但在11001200范围内仍易产生裂纹。 在13001350 时，由于鳞石英和方石英数量增加，砖坯的密度降低很多。此时液相粘度仍较大，对内应力的抵抗性还弱，生成裂纹的可能性仍存在。当加热到13501430 时，石英的转变程度和由此产生的砖体膨胀大大增强。在这一温度范围内，加热得愈缓慢，石英溶于液相再结

38、晶生成的鳞石英量愈多，方石英生成量愈少，砖体生成裂纹的可能性也愈小。如果加热过快，特别是在氧化气氛下迅速加热，石英转变为方石英，使砖坯松散并出现裂纹。温度高于1430 时，砖坯内的石英和鳞石英大量转化为方石英，伴随剧烈的体积膨胀而导致砖坯开裂。因此，硅砖的烧成温度都控制在低于1430 的温度范围内。2装窑因硅砖的荷重变形温度高达1650 左右，远高于硅砖的烧成温度（低于1430 ），在烧成过程中不易变形，故其装窑(装车)高度可达1.61.7 m，可采取立装。但考虑到硅砖多晶转变伴随的膨胀、开裂问题，而且硅砖的形状比较复杂，单重差别大，在实际生产装窑时一般要掌握以下原则：尽量采用立装，少压缝；砖

39、的大面向火道，以增大砖坯受热面，从而保证砖坯受热均匀和石英转化均匀；对于带缺口的砖坯，应将缺口向下或背向火道，并填废坯，以减弱强烈火焰对缺口处的冲击，从而减少裂纹废品；对于大型异型砖坯，为了避免受高温火焰冲击而局部过热产生裂纹，应采取包挡的方式，即周围用规则制品围起来装窑；单重不同的砖坯装窑原则是：大砖装在下面，小砖装在上面；大砖在内，小砖在外；考虑到硅砖在烧成时产生体积膨胀以及使砖坯受热均匀，装窑时相邻砖坯间应留45 mm的缝隙（即手缝）。由于硅砖的装窑高度大，砖形复杂，为提高砖垛的稳固性，实际生产中常采用拉炕法，一般为二步炕。如国内某厂的焦炉硅砖装车采用一步炕4个砖垛，二步炕2个砖垛的装车

40、方法，其157 m隧道窑装车的技术要求如下：总 高：1705 mm；肩 高：1430 mm；顶 宽：700 mm；前空位：180±10 mm；后空位：130±10 mm；外 通：170±10 mm；低炕高：130±10 mm；火道高：一步炕350480 mm，二步炕6001100 mm；火道宽：一步炕80±10 mm，二步炕120±10 mm；装砖缝隙：前挡810 mm，洞砖1540 mm，一步炕，其他部位1025 mm。3烧成制度在600 以下时虽有石英转变以及伴随的体积膨胀，但由于坯体的导热性低，加热时坯体中心部位温度低于表面处，

41、因此石英转变不是在一瞬间进行的，而是发生在窑空间的某一温度范围内。这个转变在坯体内不会引起很大的应力，且对坯体强度影响不大，因此，在此阶段内可用较快而均匀的升温速度烧成。 在700 以上至11001200 温度范围内，因砖坯体积变化不大，强度逐渐提高，不会产生过大应力，只要保证砖坯加热均匀，可尽快升温。 11001200 至烧成终了温度的高温阶段，硅砖的密度显著降低，晶体转变及体积变 化集中地发生在这一阶段。它是决定砖坯出现裂纹与否的关键阶段。这个阶段升温速度应逐渐降低，并能缓慢均匀升温。为了在高温阶段使温度缓慢均匀上升，在生产中通常采用弱还原火焰烧成。同时还可以使窑内温度分布均匀，减少窑内上

42、下温差，避免高温火焰冲击砖坯，达到“软火”(均匀、缓和火)烧成的要求。 硅砖最高烧成温度不应超过1430 。烧成温度过高时，则由于方石英生成量多，会增加烧成废品率。硅砖烧成至最高烧成温度后，通常根据制品的形状大小、窑的特性、硅石转变难易程度、制品要求的密度等因素，给以足够的保温时间，一般波动于2048 h。 硅砖烧成后的冷却过程：高温时(600800以上)可以快冷，冷却至低温时（300以下），因硅砖中石英的晶型发生逆转化，由高温变体转变成低温变体，即发生方石英向鳞石英的快速转变，产生体积收缩，因此应缓慢冷却。从窑中推出的硅砖温度较高时，不能采用鼓风冷却。实际生产中，烧成硅砖的隧道窑应有较长的冷

43、却带。在制定烧成曲线时，除应符合上述要求外，还应考虑以下因素：原料的加热性质，加入物的数量和性质，砖块的形状大小以及烧成窑的结构、大小、装窑方法、窑内温度分布等。烧成升温速度一般可划分为如下几个阶段：室温600 ，每小时升温20 ；6001100 ，每小时升温25；11301300 ，每小时升温10 ；13001350 ，每小时升温5 ；13501430 ，每小时升温2 。硅砖生产厂采用的烧成制度分别见表512和表513。表512 用倒焰窑烧硅砖的烧成制度 温度范围升温速度·h1所需时间h点火30030060060012001200130013001370±10保 温101

44、5810523053.512.510203548总烧成时间h196.5199 表513 用隧道窑烧焦炉硅砖的烧成制度 窑长m推车时间间隔h高温点个数 保温时间h14001410 13901395 13751385 13601370 157.5202.53.52.5316936234947.5注：各类高温点允许波动0.5个。4烧成气氛硅砖通常采用还原性气氛烧成。这有不仅利于窑内温度分布均匀，避免砖坯受高温强烈火焰的冲击，即达到“软火”烧成的目的，而且也可使加入的铁质矿化剂增强矿化作用。但是，还原性火焰的温度不易控制，易产生温度波动，易诱发石英晶型发生可逆转变而导致制品产生裂纹。因此，一般认为烧成

45、硅砖时采取分阶段控制火焰气氛的方法较为适宜，具体见表514。表514 硅砖烧成时窑内各温度段的气氛控制温度范围空气过剩系数900900120012001.21.31.11.20.900.98（十一）成品检选要求成品检选工序是指对烧成后硅砖的外形按要求进行挑选。硅砖的外形考核指标包括尺寸公差、缺角、缺棱、扭曲、熔洞、火痣、裂纹。对硅砖的外形要求见表515。 表515 硅砖的尺寸允许偏差和外观（GB/T 26082001） mm 项 目指标单重20 kg单重2030 kg单重30 kg尺寸允许偏差尺寸100尺寸101350尺寸350±1.5±2.5±3.5±

46、2±3±4±2±3±4扭曲长度300长度3001.52.52.03.02.03.0相对边差 厚度1.01.51.5缺角缺棱长度 (a+b+c)工作面非工作面355035603560熔洞直径工作面非工作面4（1处）66868裂纹长度宽度0.10 mm不限制不限制不限制宽度0.110.25 mm工作面非工作面3050508070100宽度0.260.5 mm工作面非工作面不准有3030505070宽度0.50 mm不准有不准有不准有 注：此要求适用于单重40 kg的硅砖。硅砖生产中最易出现裂纹，烧成废品中裂纹较多。产生裂纹的原因主要如下：采用大量快

47、速转化的硅石原料，或膨胀性过大的脉石英；配料中废硅砖的加入量不足；泥料的粒度控制不当(临界粒度大或中颗粒多)；泥料水分过小或石灰质量不好；模型设计不合理或成型操作及干燥方法不当等。应根据上述原因找出解决的办法，提高硅砖的成品率。三、硅砖的性质硅质制品的性质取决于原料性质、晶型转化情况、加入物种类和数量以及烧成等许多因素。硅砖性质的优劣，是根据其一系列的物理化学性能及外形和显微组织等评定的。硅砖的理化性能（即成品的考核指标），一般是指化学组成、耐火度、荷重软化点、抗渣性、真密度、残余膨胀、气孔率、体积密度、常温耐压强度及显微结构特点等。在上述性能指标中，真密度和残余膨胀是硅砖所特有的。硅砖真密度

48、的大小是表示石英转化程度的重要方法之一，可以判断硅砖的矿物组成，如表516所示。硅砖的真密度应该是愈小愈好。真密度小，说明转化完全，在使用过程中产生的残余膨胀也就小。真密度的大小，主要取决于烧成条件。但如果配料中矿化剂加入量较多，泥料颗粒较细，则在烧成过程中真密度也容易降低。 表516 硅砖真密度与石英转化程度的关系 真密度g·cm3相组成%鳞石英方石英石英玻璃相2.332.342.372.392.402.42807263605853131717151212-39912177811161618 残余膨胀是指硅砖经过再次煅烧后所发生的不可逆的体积膨胀。引起残余膨胀的原因是由于砖中尚有未

49、转化的石英(或称残存的石英)继续转化所致。硅砖残余膨胀愈小愈好，否则砌筑在窑炉上使用时，由于残余膨胀过大，会造成窑炉结构损坏，以致发生事故。真密度小的硅砖，残余膨胀也一定会小，所以残余膨胀的大小主要决定于烧成条件。硅砖烧至1450 保温3 h，其残余膨胀率一般为0.30.8。有关对硅砖要求的理化指标见表517和表518。 表517 普通硅砖的理化指标（GB/T 26082001） 指 标指标GZ96GZ95GZ94SiO2含量%969594Fe2O3%1.01.21.4显气孔率%22(24)常温耐压强度MPa单重20 kg35(30)单重20 kg30(25)荷重软化开始温度166016501

50、640（胶结硅石1620）真密度g·cm32.342.35235注：此要求适用于单重40 kg的硅砖。表518 不同用途硅砖的理化指标要求（根据黑色冶金行业标准）项 目热风炉硅砖焦炉硅砖玻璃窑硅砖拱顶炉墙砖格子砖炉底、炉壁其他部位BG-96ABG-95ASiO2含量959496Fe2O3含量0.81.2熔融指数1）% 0.50.7常温耐压强度MPa3530302535(单重20kg)30(单重20kg)显气孔率2223222422蠕变率（0.2 MPa，1550 ×50 h）0.80.8真密度g·cm32.352.352.342.352.342.35热膨胀率（10

51、00 ）1.261.261.281.30荷重软化开始温度1640（胶结硅石1620）16801660加热永久线变化%(1450 ×2 h)+0.20残余石英含量提供数据提供数据 1）用2R2O+Al2O3来表征玻璃窑硅砖的熔融指数，表中所列数值为单重20kg砖的指标。四、特种硅砖（一）高密度硅砖为了缩短焦炉结焦时间，延长焦炉使用寿命，提高焦炉生产率，需要制造高密度硅砖。某耐火材料厂采用合理的颗粒级配，合适的矿化剂和结合剂，提高成型压力和冲击次数，生产出了高密度硅砖。具体措施如下：（1）泥料的临界粒度为2.8 mm，粒度组成控制在以下范围内：3 mm的占1520，0.5 mm的占55628，0.1 mm的占3035。（2）矿化剂以石灰乳与铁鳞混合液的形式加入，碱度控制在2.02.6之间，泥料中还外加1的纸浆废液。泥料水分控制在4.55.0之间。（3）采用高压成型设备，或增加冲击次数，保证砖坯密度高于2.32 g·cm3。（4）采用稳定的干燥制度和烧成制度，最高烧成温度为1400 。采用上述方法生产的高密度硅砖的理化性能如下：SiO2 95.32%，CaO2.4%，Fe2O3 1.5%，Al2O3 0.4