Chapter 2-硅质耐火材料

1、College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”第二章第二章 硅质耐火材料硅质耐火材料 硅质耐火材料硅质耐火材料是指以是指以SiO2为主成分为主成分的耐火材的耐火材料（料（SiO2 含量含量93以上以上）；）； 种类：种类：硅砖、特种硅砖、石英玻璃；硅砖、特种硅砖、石英玻璃； 主要用途：主要用途：焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉以焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉以及其他热工设备。及其他热工设备。College of Chemistry & Materials Science无机非金

2、属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”性能特点：性能特点： 属于酸性耐火材料属于酸性耐火材料，抵抗酸性炉渣侵蚀能力强；，抵抗酸性炉渣侵蚀能力强； 高温结构强度高高温结构强度高，荷重软化温度，荷重软化温度1640 1680，接近鳞石英、方石英的熔点（接近鳞石英、方石英的熔点（1670、1713）；）； 重烧膨胀，耐磨，导热性好重烧膨胀，耐磨，导热性好； 热震稳定性差热震稳定性差（14次）；次）； 耐火

3、度不高耐火度不高（16901720）。）。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”第一节第一节 硅砖生产的物理化学原理硅砖生产的物理化学原理 SiO2的同质多晶转变的同质多晶转变 矿化剂的作用及影响矿化作用的因素矿化剂的作用及影响矿化作用的因素 与硅砖性质有关的物系与硅砖性质有关的物系College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”一、一、SiO2的同质

4、多晶转变的同质多晶转变 SiO2在常压下有在常压下有七个变体七个变体和和一个非晶型变体一个非晶型变体。 根据转变特点和速度，根据转变特点和速度，SiO2晶型转变分为两类晶型转变分为两类：迟迟钝型转变（重建型）钝型转变（重建型）和和快速型转变（位移型）。快速型转变（位移型）。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”不同晶型之间的转变不同晶型之间的转变（迟钝型转变）（迟钝型转变） 在在加热过程加热过程中，中，石英、鳞石英、方石英石英、鳞石英、方石英及及硅氧溶液（石英玻璃）硅

5、氧溶液（石英玻璃）之间发生之间发生相互转化相互转化，是，是属于由属于由一种晶型转变成另一种晶型的转变过程一种晶型转变成另一种晶型的转变过程（重建型转变，速度慢、时间长重建型转变，速度慢、时间长）。这种转变）。这种转变过程伴随有过程伴随有较大的体积效应。较大的体积效应。一般是一般是不可逆不可逆的。的。晶型之间在晶型之间在结构和物理性质结构和物理性质上存在上存在较大的差别较大的差别。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料” 不同不同晶型之间的转变晶型之间的转变从从晶体的边缘

6、开始晶体的边缘开始，逐逐渐发展至中心渐发展至中心， 必须必须破坏原有的晶体结构破坏原有的晶体结构，使，使Si-O键断开键断开，实现，实现原子的重新排列原子的重新排列，组成新的，组成新的结构。所以转变过程消耗能量大，转变温度高，结构。所以转变过程消耗能量大，转变温度高，转变速度慢，经过较长时间才能实现，转变速度慢，经过较长时间才能实现，故称为故称为迟钝型转变。迟钝型转变。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”同一晶型亚态之间的转变同一晶型亚态之间的转变（快速型转变）（快

7、速型转变） 同一晶型亚态、型之间也发生相互转变，并同一晶型亚态、型之间也发生相互转变，并且是可逆的。且是可逆的。由于快速转变是在瞬时发生的，其由于快速转变是在瞬时发生的，其体积效应危害大。体积效应危害大。 这种这种亚态变体亚态变体的的结构和物理性质是相似的结构和物理性质是相似的，转变时转变时Si-O键没有被破坏和断开键没有被破坏和断开，只有键的角度只有键的角度发生变化，晶格发生扭曲或伸直发生变化，晶格发生扭曲或伸直，消耗能量小，消耗能量小，转变温度低，转变速度快，体积效应小转变温度低，转变速度快，体积效应小，只要达，只要达到转变温度，晶体从中心到边缘全部立刻转变，到转变温度，晶体从中心到边缘全

8、部立刻转变，故称为故称为快速型转变快速型转变。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”干转变与湿转变干转变与湿转变 低温型石英转变为高温型低温型石英转变为高温型石英过程中，石英颗石英过程中，石英颗粒会开裂。粒会开裂。如有矿化剂存在时如有矿化剂存在时，形成的液相形成的液相就会沿就会沿着裂纹侵入颗粒内部，促使石英转变为鳞石英。通着裂纹侵入颗粒内部，促使石英转变为鳞石英。通常，这种转变称为常，这种转变称为湿转变湿转变。 如果很少或几乎没有矿化剂时如果很少或几乎没有矿化剂时，石

9、英开始形成，石英开始形成半安定方石英，然后形成方石英，这种转变称为半安定方石英，然后形成方石英，这种转变称为干干转变。转变。干转变时砖坯产生较大的不均匀膨胀干转变时砖坯产生较大的不均匀膨胀，又无，又无液相缓冲应力，会造成制品的液相缓冲应力，会造成制品的结构开裂结构开裂和和松散松散。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料” 硅砖的性能硅砖的性能主要主要与与SiO2的晶型有关的晶型有关。各种晶型的熔各种晶型的熔点不同：点不同：石英的熔点最低，为石英的熔点最低，为1600；方

10、石英的；方石英的熔点最高为熔点最高为1723，鳞石英为，鳞石英为1670 。 方石英的含量高，有利于提高硅砖的耐火度方石英的含量高，有利于提高硅砖的耐火度；而；而鳞石英含量高鳞石英含量高，在砖中相互交错形成网络状结构，在砖中相互交错形成网络状结构，有，有利于提高制品的荷重软化温度利于提高制品的荷重软化温度。 残余石英残余石英在高温下在高温下可继续可继续向方石英或鳞石英向方石英或鳞石英转变转变，并伴有较大的体积膨胀，故其，并伴有较大的体积膨胀，故其含量愈少愈好含量愈少愈好。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐

11、火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料” 硅砖硅砖理想的矿物组成理想的矿物组成是是主要矿物主要矿物 为鳞石为鳞石英，其次是方石英英，其次是方石英。 残余石英（残余石英（ 石英石英 ）越少越好。）越少越好。 硅砖中石英转变程度用真比重衡量，一般硅砖中石英转变程度用真比重衡量，一般小于小于2.38g/cm3。优质硅砖真比重优质硅砖真比重2.322.36之间。之间。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”二、矿化剂的作用及影响矿化作用的因素二、矿化剂的作用及影响矿化作用的因

12、素矿化作用：矿化作用：加速石英在烧成时转变为低密加速石英在烧成时转变为低密度的变体（鳞石英和方石英）而不显著降低度的变体（鳞石英和方石英）而不显著降低其耐火度。同时能防止砖坯烧成时因发生急其耐火度。同时能防止砖坯烧成时因发生急剧膨胀而产生的松散和开裂。剧膨胀而产生的松散和开裂。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”影响矿化作用的因素影响矿化作用的因素: 液相开始形成的温度；液相开始形成的温度；液相的数量；液相的数量；液相的粘度；液相的粘度；液相的润湿能力；液相的润湿能

13、力；平衡时液相的结构；平衡时液相的结构；矿化剂的加入量：矿化剂的加入量：不超过不超过3-4%。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”三、与硅砖性质有关的物系三、与硅砖性质有关的物系 CaO-Al2O3-SiO2系统系统 CaO-FeO-SiO2系统系统 FeO-Fe2O3-SiO2系统系统 Na2O-Al2O3-SiO2系统系统College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅

14、质耐火材料硅质耐火材料”CaO-Al2O3-SiO2系统系统 最低共最低共熔液相熔液相温度温度1170College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”CaO-FeO-SiO2系统系统 最低共最低共熔液相熔液相温度温度1105College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”FeO-Fe2O3-SiO2系统系统 最低共熔最低共熔液相温度液相温度1178-1450 C

15、ollege of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”Na2O-Al2O3-SiO2系统系统College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”第二节第二节 原料及其性质原料及其性质硅石原料硅石原料 要求硅石中要求硅石中SiO2含量大于含量大于96（我国多数在我国多数在98以上以上），），Al2O3、TiO2及碱金属氧化物及碱金属氧化物等杂等杂质质总含量一般要小于总含量一般

16、要小于2。 显微组织显微组织分为分为结晶质结晶质和和胶结质两种胶结质两种。结晶硅。结晶硅石由结晶石英颗粒组成。石由结晶石英颗粒组成。 胶结硅石是由硅质胶结物将细小石英晶体胶胶结硅石是由硅质胶结物将细小石英晶体胶聚而成，若控制得当也可生产出合格产品。聚而成，若控制得当也可生产出合格产品。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”原料分类：原料分类：按转变速度分类；按转变速度分类；按致密程度分类；按致密程度分类；按剧烈膨胀开始温度分类。按剧烈膨胀开始温度分类。石灰石灰矿化剂矿

17、化剂有机结合剂有机结合剂College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”第三节第三节 硅砖的生产工艺硅砖的生产工艺 硅砖生产的工艺流程：硅砖生产的工艺流程：硅砖与其他耐火硅砖与其他耐火砖的生产工艺砖的生产工艺不同之处在于：原料不经不同之处在于：原料不经煅烧，直接配用破粉碎和筛分后的硅石煅烧，直接配用破粉碎和筛分后的硅石颗粒料和细粉颗粒料和细粉；需加一定的矿化剂，其；需加一定的矿化剂，其中石灰乳既是矿比剂又起结合作用。然中石灰乳既是矿比剂又起结合作用。然后成型、干燥和烧成。后成型

18、、干燥和烧成。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料” 因因硅砖烧成过程中有晶型转变硅砖烧成过程中有晶型转变，并伴有体积，并伴有体积变化，为了促进石英向鳞石英转化和控制晶变化，为了促进石英向鳞石英转化和控制晶型转化时体积效应的危害型转化时体积效应的危害, ,获得优质硅砖，在获得优质硅砖，在生产过程中要生产过

19、程中要配入适量的矿化剂配入适量的矿化剂。 颗粒组成的选择颗粒组成的选择 成型成型 烧成烧成College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”第四节第四节 硅砖的性质和使用硅砖的性质和使用 化学矿物组成：化学矿物组成：普通硅砖的化学矿物组成如普通硅砖的化学矿物组成如表表34及表及表35所示。所示。 由两表可以着出：由两表可以着出：硅砖中硅砖中SiO2含量在含量在93以以上；上；一般硅砖中的晶相为鳞石英和方石英以一般硅砖中的晶相为鳞石英和方石英以及少量残存石英，及少量残存石英，基质为

20、玻璃相基质为玻璃相。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”真密度和体积密度真密度和体积密度 硅砖真密度的大小硅砖真密度的大小是是判断其晶型转变程度的重要判断其晶型转变程度的重要标志之一标志之一。 一般硅砖的真密度在一般硅砖的真密度在2.38g/cm3以下以下，优质硅砖在，优质硅砖在2.322.36g/cm

21、3范围内，硅石为范围内，硅石为2.65g/cm3。 硅砖的体积密度与气孔率有关硅砖的体积密度与气孔率有关。一般硅砖的显气。一般硅砖的显气孔率为孔率为1725，体积密度为，体积密度为1.81.95gcm3。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料” 耐火度：耐火度：硅砖的耐火度为硅砖的耐火度为16001730。随着。随着SiO2含量、晶型、杂质种类及数量的不同略有变含量、晶型、杂质种类及数量的不同略有变化，但波动范围较小。总的来看，化，但波动范围较小。总的来看，硅砖的耐火度

22、硅砖的耐火度不高，不能满足强化冶炼的要求。不高，不能满足强化冶炼的要求。 荷重软化温度：荷重软化温度：硅砖的荷重软化温度较高，一般硅砖的荷重软化温度较高，一般为为16201670与其耐火度接近。与其耐火度接近。这主要是因为这主要是因为构成硅砖的主晶相为具有矛头状双晶的鳞石英形构成硅砖的主晶相为具有矛头状双晶的鳞石英形成网络状结构和基质为粘度较大的玻璃相所致。成网络状结构和基质为粘度较大的玻璃相所致。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料” 高温体积稳定性高温体积稳定性

23、硅砖在加热过程中，除了存在一般的热膨硅砖在加热过程中，除了存在一般的热膨胀外，还发生晶型转变并伴有胀外，还发生晶型转变并伴有体积膨胀体积膨胀。 耐热震性耐热震性 硅质耐火制品的耐热震性很差硅质耐火制品的耐热震性很差，在，在850下下水冷仅为水冷仅为12次。当硅砖的使用温度在次。当硅砖的使用温度在600以以上波动时，由于结晶不发生快速型转变，它的上波动时，由于结晶不发生快速型转变，它的耐热震性较好。耐热震性较好。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”抗渣性抗渣性 硅砖是

24、酸性耐火材料，硅砖是酸性耐火材料，对酸性及弱酸性炉渣对酸性及弱酸性炉渣和含腐蚀性炉气的侵蚀有很强的抵抗能力和含腐蚀性炉气的侵蚀有很强的抵抗能力； 对含对含CaO和和FeO的炉渣侵蚀作用也有一定的抵抗能力。的炉渣侵蚀作用也有一定的抵抗能力。 虽然硅砖的耐火度不很高，但荷重软化温度较虽然硅砖的耐火度不很高，但荷重软化温度较高，高温结构强度大，而且在高，高温结构强度大，而且在 600以上长期以上长期使用稳定性好，使用稳定性好，能抵抗酸性炉渣的侵蚀能抵抗酸性炉渣的侵蚀。 用硅砖砌筑的炉窑在加热烘烤过程中，应缓慢用硅砖砌筑的炉窑在加热烘烤过程中，应缓慢升温，以免困膨胀过激而使砌体破坏。升温，以免困膨胀过

25、激而使砌体破坏。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”第五节第五节 其他氧化硅质耐火制品其他氧化硅质耐火制品高密度高导热性硅砖高密度高导热性硅砖 一般采用高硅质原料，经高压成型一般采用高硅质原料，经高压成型。在尽。在尽量减少玻璃相的数量和降低气孔率的同时，掺加量减少玻璃相的数量和降低气孔率的同时，掺加CuO、Cu2O、TiO2、FeO等导热能力高的金属等导热能力高的金属氧化物，获得气孔率为氧化物，获得气孔率为16左右，体积密度超左右，体积密度超1.95g/cm3，导热

26、系数大于，导热系数大于18Wm，机械强，机械强度高的度高的高密度高导热性硅砖高密度高导热性硅砖。College of Chemistry & Materials Science无机非金属材料无机非金属材料- -耐火材料耐火材料“硅质耐火材料硅质耐火材料”石英玻璃制品石英玻璃制品: 石英玻璃制品也称熔融石英制品，石英玻璃制品也称熔融石英制品，作为耐火材作为耐火材料有两类；料有两类；石英玻璃制品石英玻璃制品和和石英玻璃再结合制品石英玻璃再结合制品。 石英玻璃制品是二氧化硅单一组分的玻璃相，石英玻璃制品是二氧化硅单一组分的玻璃相，为非晶质结构。用硅石或硅化物为原料，经高为非晶质结构。用硅石或硅化物为原料，经高温熔化或气相沉积而成。温熔化或气相沉积而成。 主要制品有管、棒，板、块和纤维等。主要制品有管、棒，板、