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硅莫砖 的技术性能及在水泥回转窑上的应用

  硅莫砖,有“耐磨砖”的别称,又叫GM高耐磨砖,耐磨系数高,就其物 相成分来讲为碳化硅—莫来石制品,故简称硅莫砖。硅莫砖具有耐高温、抗侵蚀、抗磨损特性,这个叫 法大多在建材行业,其他行 业一般称为高铝碳化硅砖、三氧化二铝—碳化硅砖。

  近年来,硅莫砖 在水泥回转窑上的应用得到快速发展,特别是 新型干法窑和窑的大型化,窑的转速、窑内热 应力强度大幅度提高,对耐火材料的材质、理化性 能提出了新的更高要求。因此水 泥回转窑除烧成带在其所挂窑皮的保护下尚在使用镁铝尖晶石和镁铁尖晶石外,次烧成带、过渡带、冷却带 在使用硅莫砖后,效果明 显好于其它制品。

  众所周知,碳化硅耐火度高,在还原气氛中到2600 ℃一直是稳定的;硬度大(莫氏硬度9~9.5),仅次于金刚石;热导率高(至500 ℃时 达64.4 W/m·K,到875 ℃时达41.4 W/m·K),热 膨胀系数比较小(5.0×10-6/c)。碳化硅为共价健结合。不存在 通常所说的烧结性,而靠化 学反应生成新相达到烧结,即反应烧结。因此碳 化硅制品按结合相不同分为粘土结合、莫来石结合、二氧化硅结合、Si2N2O结合、Si3N4结合、Sia/on结合等碳化硅制品。

  这些复 相耐火材料的特点是常温和高温强度比单一氧化物材料高,抗氧化性能比单一SiC好,而这些 复相材 料的氧化属于保护性氧化,材料表层的SiC 氧化为SiO2,在材料 表面逐渐形成保护层,阻碍了 氧化向制品内部进一步渗透。这些复 相制品烧成温度较单一氧化物制品低,而制品强度却高。在我国 研究比较多的是纯刚玉SiC制品,其次是 刚玉莫来石制品,刚玉硬度大(莫氏硬度为9.0~9.2), 耐磨性好,但结合 强度不如莫来石刚玉制品。含SiC复相材 料的强度指标取决于结合相,也可以 说是制品烧成时的二次莫来石化程度。纯刚玉SiC制品,靠SiC氧化产生的SiO2与基质中的Al2O3反应形成莫来石结合,据我们多年生产经验:SiC加入量10%~15%综合指标较好,SiC加入过量,不利于成型,坯体性能下降。而且还要尽量保护SiC不被氧化,发挥SiC在制品中的作用,提高制品热震稳定性、耐磨性等指标。因此纯刚玉SiC制品靠SiC氧化而 形成的二次莫来石有限,烧成温度也高,要靠添加金属Si、Al粉等添 加物来实现二次莫来石化。纯刚玉 及添加物成本较高,制品的 成本与使用寿命不成正比。我国的 特等和一等高铝熟料主要由刚玉莫来石及少量玻璃相组成,它构成硅莫砖的骨架,基质由SiC、 Al2O3、SiO2质材料构成。二次莫 来石化效应是由碳化硅氧化产生的SiO2与Al2O3反应产生。烧成过 程发生下列反应: SiC+O2 = SiO+CO 2SiO+O2=2SiO2 2CO+O2=2CO2 反应得到的SiO2,一部分 沉积在颗粒表面形成保护膜,防止其进一步氧化,另一部 分填充和封闭气孔,使结构致密。如果SiC大量氧化,将使砖氧化层加厚,内部结构变得疏松。为了防止SiC氧化,加入金属Si、Al粉等防氧化剂。Si粉氧化后生成SiO2,即Si+O2=SiO2, 2SiO2+3Al2O3=3Al2O3·2SiO2(莫来石)。随着Si加入量的增加,氧化层厚度减薄。可是加入量超过2%时,制品气孔率上升,耐压强度下降,这是由于过量SiO2造成二 次莫来石化效应过大,伴随体积膨胀过大,使结构疏松。添加金属Al粉,以金属Al粉、Al2O3和SiC混合粉,共磨混合,在制品烧成过程中,Al在1000 ℃时氧化为Al2O3,SiC在1 250 ℃时氧化为SiO2,Al2O3和SiO2在1 400 ℃时开始 反应形成莫来石。单独加入金属Si或Al,制品表 面氧化层均较厚,一般大于5 mm。二者同时加入,表面氧化层厚度小于1 mm,一般在0.3 mm以下。因为Al·Si的低共熔点温度低(577 ℃),在较低 的温度下产生液相,有利于物质扩散,降低反 应生成温度及增加生成量,提高制品强度,金属Al粉还可以把Si粉和SiC粉表面的SiO2还原成Si,增强Si粉的反应活性。使其与Al2O3反应生成莫来石,阻止SiC氧化。为防止SiC氧化,也可以将高铝粉、SiC粉结合 粘土或硅质料共同磨细,使其高度均匀分散,并与高 铝颗粒均匀接触。在SiC氧化生成SiO2与Al2O3反应生 成莫来石的同时,共磨粉 里粘土或硅质料中过量的SiO2与Al2O3反应生成莫来石,在SiC晶粒表 面产生莫来石化效应,伴随体 积膨胀制品致密。而原料中TiO2、Fe2O3与过量SiO2共熔产生液相填充气孔和封闭气孔,防止空气进入,阻止SiC氧化。制品表面氧化层小于0.3 mm。制砖原 料颗粒堆积密度也很重要。颗粒堆积紧密,气孔少且小,渗入的气体少,也能减轻氧化,同时能得到结构致密、强度高的制品。 原料的Fe2O3含量和 破粉碎带入的机械Fe也是影响SiC氧化的重要因素,反应如下: SiC+Fe2O3+O2=Fe2SiO4+CO 利用粘 土加有机结合剂的制品,靠烧成 温度使制品烧结致密。利用化学结合剂,如磷酸盐在42.5~250 ℃脱水转化为焦磷酸盐,到265 ℃就由活 泼状态变为不活泼状态,250~450℃范围内 进一步脱水转化为偏磷酸盐,在320~430 ℃时就形成胶结,在400~500 ℃就可以 达到很高的粘结强度,加热温度超过700 ℃时偏磷 酸盐和焦磷酸盐开始分解为正磷酸盐(Al2O3·P2O5),P2O5开始逐渐升华,超过1100 ℃时,P2O5挥发很快,随着温度的提高,将发生聚合、多缩聚合,以及胶结粘附等作用,同时形成陶瓷结合,使制品 获得强度和高温性能。因此用 化学结合剂的制品,较低烧 成温度就可以获得高强度、高密度的制品。 按显微 结构硅莫砖主要由莫来石、刚玉、SiC及玻璃相组成,在颗粒 交界处生成的为莫来石、玻璃相及SiC。莫来石呈柱状、针状形 成相互交结的网络结构,与周围 的颗粒紧密结合在一起,使制品有较高的强度。

  硅莫砖 的技术性能随着工艺技术的进步,其制品 的质量得到显著提高,技术性 能也有大幅度提高。为了适 应水泥回转窑不同部位的使用条件,硅莫砖 也由过去的单一牌号发展为多个牌号,具有代 表性的理化指标见下表:

  硅莫砖理化指标

项       目

指    标

GM-1680

GM-1650

GM-1550

Al2O3     %     

65

63

60

SiC+SiO2   %    

30

30

28

体积密度        g/cm³     ≥

2.65

2.60

2.50

耐火度    ℃   

1800

1790

1790

0.2MPa荷重软化开始温度  ℃  

1680

1650

1550

显气孔率       %            

18

19

20

常温耐压强度     Mpa       

90

85

85

热震稳定性(1100,水冷)  次   

12

10

10

常温耐磨性     cm³   

8.0

8.0

 

  硅莫砖 与其它耐火制品相比较具有:(1)制品结构致密,耐磨性好。 硅莫砖 主晶相由硬度高的矿物刚玉(莫氏硬度 9.0~9.2)、碳化硅(莫氏硬度9.0~9.5)、莫来石 (莫氏硬度7.0~7.5)组成。制品结构致密度高, 体积密度普遍在2.5~2.7 g/cm3。耐火材 料的常温耐磨性能取决于其强度和结构的致密性,强度和 致密度高的材料,耐磨性能较好。水泥回 转窑内衬长期受物料的滚动磨擦,磨损是 耐火材料内衬损毁的主要原因之一。硅莫砖的致密度、强度及 耐磨性显著优于抗剥落高铝砖及镁铝尖晶石砖。硅莫砖 在水泥回转窑次烧成带、过渡带 等部位使用效果好,可以说 耐磨性好起到了很重要的作用。(2)荷重软化温度高,高温性能好。硅莫砖 的荷重软化温度都在1450 ℃以上, 高的达1 650 ℃以上。使用部位不同,砖面温度不同,次烧成带、前过渡带温度达1400 ℃左右,高于烧成带砖面温度(因烧成带有窑皮保护,砖面温度为900~1 000 ℃)。因此次烧成带、前过渡带可选择GM-1680牌号,而后过渡带、冷却带 等温度较低部位可选择GM-1650、分解炉可选择GM-1550等牌号。就这些 砖的荷重软化温度指标也都超过经常使用的抗剥落高铝砖和磷酸盐高铝砖 (荷重软化温度为1 300~1 520 ℃)。 硅莫砖 由于本身结构致密,特别砖面形成连续的SiO2致密层,阻止熔融物质渗透,加之Al2O3、SiC、SiO2化学性质稳定,不与窑内产生的SO2、O2、CO2等气体发生剧烈反应,不与水 泥物料产生化学反应,因此抗侵蚀能力较强。其次是 硅莫砖的热震稳定性好。由于硅 莫砖中含有一定量 的SiC,众所周知,SiC热导率高,热膨胀系数比较小,使制品 的热震稳定性显著提高,1100 ℃水冷试验都在10次以上,最高达36次,因此水 泥回转窑用硅莫砖不剥落、不断裂,能显著提高使用寿命。 (3)降低窑体温度,隔热性能好。硅莫砖的热导率〔2.3~2.5 W/(m·K)〕,较碱性制品〔2.69~2.74 W/(m·K)〕低,因此硅 莫砖的隔热效果比较好。在大型 回转窑的次烧成带、过渡带、预热带、窑尾、三次风管、分解炉 等部位用硅莫砖,与碱性砖相比,筒体表面温度降低100 ℃以上。硅莫砖 的耐压强度和荷度软化温度明显高于抗剥落高铝砖, 其热震稳定性、抗腐蚀性、耐磨性好、热导率不高,正是后 过渡带工艺特性所要求的,使用寿 命是抗剥落高铝砖的1.5~2倍。耐磨性 好更适合冷却带,使用寿 命可达两年以上,是高铝砖寿命的3~5倍。 现在已 经按回转窑不同段带的使用条件,应用不 同牌号性能不同的硅莫砖。 此外,高铝碳化硅砖在钢铁、有色金属、化工等 部门也广泛应用。

  选用优 质高铝矾土熟料与碳化硅为主要原料,按照一 般耐火砖的工艺流程,生产的 硅莫砖具有耐磨损、抗热震、抗侵蚀 等优良高温性能,被广泛 应用在水泥回转窑的次烧成带、过渡带、冷却带、三次风管、分解炉等部位,可代替 原来使用的镁铬砖、尖晶石砖、抗剥落高铝砖、磷酸盐结合高铝砖,并且使用寿命提高了3~4倍。

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