耐火材料_硅莫红_硅莫砖

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硅莫砖_硅莫红_江苏君耀耐磨耐火材料有限公司_新闻中心
重点分析硅莫砖主要由哪几种原料组成
 点击数:34次 添加时间:2021-9-7 [打印] [关闭] [收藏]

硅莫砖作为铝硅系耐火材料,优越的热震稳定性、较高的荷重软化温度以及优良的抗侵蚀性是其能在水泥窑除烧成带外所有段带应用的重要原因。当然,相比高铝砖,硅莫砖之所以具有上述的优异性能,是得益于碳化硅组分的存在。碳化硅作为一种非氧化物材料,具有优异的高温力学性能,并聚抗侵蚀性和热震稳定性于一身。

硅莫砖用原材料主要有以下几种:

1、高铝矾土

高铝矾土是重要的矿产资源,在世界范围内有着重要的战略意义和实用价值。我国铝土矿储量有25亿吨,占世界总量的2.4%,储量丰富。我国的铝土矿主要分布在山西、河南和贵州等地,主要为水铝石-高岭石型。矿中Al2O3和SiO2含量较高,Fe2O3含量较低,适于作为耐火原料。高铝矾土矿物组成主要为水铝石和高岭石,其中,水铝石化学式为AlO(OH),属斜方晶系,密度3.3~3.5g/cm3,莫氏硬度6~7;高岭石化学式则为Al2O3·2SiO2·2H2O,为三斜晶系硅酸盐矿物,也是粘土矿物的一种,其吸水性强,可塑性好,密度为2.60~2.63g/cm3,硬度2~2.5。高铝矾土的结构特征见表1。


目前,我国约有65%的耐火材料属于铝硅系产品,而铝硅系产品中又有65%左右以高铝矾土为原料。因此,高铝矾土是生产Al2O3-SiO2系耐火材料极其重要的原料。高铝矾土熟料的物相组成为刚玉、莫来石和方石英,其化学成分、体积密度、吸水率以及矿物的均匀性对于所制高铝质耐火材料的使用性能有决3定性影响。根据YB/T5179-2005的规定,高铝矾土熟料按其理化指标的不同分为如表2所示的9个等级。


2、碳化硅

碳化硅(SiC)为共价化合物,原子间为共价键结合,由于其较强的共价键键力,该材料具有较佳的常温和高温物理性能。碳化硅耐火度很高,在还原气氛中可达2600℃,其硬度较大(莫氏硬度9~9.5),热导率高(500℃时达64.4W/(m·k)),热膨胀系数较小,为5.68×10-6/℃(1000~2400℃),同时它还具有抗侵蚀、耐冲击、抗氧化等优异性能[6-7]。

虽然碳化硅具有非常好的常温和高温使用性能,但该材料在自然界极少,工业所需碳化硅主要靠人工合成。人工制备碳化硅的方法主要有以下5种;

1) 碳热还原二氧化硅;

2) 元素合成碳化硅;

3) 熔盐法制取碳化硅;

4) 气体化合物制取碳化硅;

5) 用蒸汽-液体-固相法制取等。

其中,用在耐火材料工业生产中的碳化硅,常采用SiO2碳还原法制取。在电阻炉中用碳还原SiO2时,在1250℃以下,生成的CO不能使碳化硅氧化,当达到更高温度时,生成的CO接着与SiO2起反应,进而还原SiO2,并在晶体表面析出游离碳。

在铝硅系耐火材料中引入碳化硅后,碳化硅在烧成过程中部分氧化生成SiO2,在制品表面形成一定厚度的玻璃相,由于表层碳化硅氧化,使砖内部形成弱还原气氛,内部碳化硅被活化氧化,生成SiO气体,SiO扩散到界面时被重新氧化成SiO2,这些SiO2与其他杂质一起形成的玻璃相,起到堵塞气孔抑制进一步氧化、减缓侵蚀的作用。另外,碳化硅氧化生成的部分SiO2亦会在一定温度下与材料中富余的A12O3反应生成莫来石。

碳化硅还具有较高的热导率,加入后会提高材料的热导率,再加上碳化硅热膨胀系数较小且和莫来石热膨胀系数非常接近,会大量减少外界温度急剧变化时材料产生的内应力,这对材料热震稳定性的改善具有很大的促进作用。另一方面,如果SiC氧化过量,会使材料氧化层过厚,再加上氧化过程会生成SiO气体,内部生成的气体增多时,会使材料内部结构变得疏松,从而使材料结构得到破坏。碳化硅过度氧化不仅会使材料结构致密性降低,同样由于其氧化会产生较多的SiO2,而SiO2晶型转变对温度十分敏感,也就会对材料的热震稳定性产生不利影响。因此,在某些使用环境下,为了防止材料中SiC过度氧化,在其中加入适量防氧化剂变得十分必要。其中,常用的一种防氧化剂为Si粉,Si作为单质具有较大活性,会先于SiC氧化后生成SiO2,因此,随着Si加入量的增加,制品氧化层厚度会呈现减薄的趋势。但当Si加入量持续增加超过2%时,其氧化生成的SiO2增多,进而就会造成材料中二次莫来石化效应过大,体积膨胀过大,使材料结构疏松,体积密度降低,气孔率升高。另外一种常用的防氧化剂为金属Al粉,同理,金属Al粉会早于SiC被氧化生成Al2O3,抑制碳化硅氧化。金属Al和SiC分别氧化生成的Al2O3和SiO2会在1400℃左右开始莫来石化反应。

此外,将金属铝和单质硅作为防氧化剂同时加入制品中,对抑制SiC的过氧化具有极其有效的作用。纵然单质Si熔点高达1414℃,但其和金属Al低共熔点温度却仅有577℃,因此二者作为防氧化剂复合加入时,会在较低的温度下产生液相,有利于离子的扩散和转移,从而降低反应生成温度。

3、莫来石-高硅氧玻璃复相材料

由于粘土熟料的烧结温度低等原因,其熟料的物相组成中一般含有10%~25%的方石英。在上世纪,国外已经开始从制备工艺和引入添加剂等方面着手,尝试将铝硅系耐火熟料中的方石英溶入玻璃相,制备得到了具有莫来石网络结构的莫来石-高硅氧玻璃复相材料。

莫来石-高硅氧玻璃复相材料,是由晶态的莫来石与非晶态的富硅玻璃相组成的新型耐火材料,其具有较高的荷重软化温度、较低的热膨胀系数以及优异的热震稳定性等优良性能。按杂质碱金属氧化物含量的不同,可将莫来石-高硅氧玻璃复相材料分为高杂质含量(R2O在0.2%~2.0%)和低杂质含量(R2O<0.2%)两大类。作为高SiO2含量的莫来石合成料,其物相中并无方石英的存在,此外,再加上其结合紧密的莫来石网络结构以及高黏度的富硅玻璃相,这些都对材料在高温下的使用性能特别是热震稳定性具有极大的改善作用。

李博文等采用天然蓝晶石矿物制备得到了莫来石-高硅氧玻璃复相材料。其烧结温度为1500~1600℃,制得的莫来石晶粒较大、含量较高。在该材料中,莫来石含量75%~80%,玻璃相20%~25%,各相分布较为均匀。制备得到的蓝晶石基莫来石体积密度在1.99~2.11g/cm3,但其常温耐压强度却高达163~264MPa,理化性能指标明显优于以高岭土或高铝矾土为原料制得的同类材料。

廖桂华采取引入适当添加剂的方法,将粘土煅烧成了不含方石英的莫来石-高硅氧玻璃相材料。实验得出,采用像长石这样的富含钾钠的天然矿物作添加剂更为有利于莫来石-高硅氧玻璃相材料的合成。因为这类矿物既能使粘土在较低的温度下烧结,且其价廉易得,有利于保持混和料的组成稳定,但加入量不能太多,否则会降低材料的耐火性能。

蓝晶石基莫来石(KyanitebasedMullite),简称KBM,作为莫来石-高硅氧玻璃复相材料的一种,目前国外只有美国弗吉尼亚蓝晶石矿业公司对其进行了工业生产,而国内当下也仅有南阳开元蓝晶石矿公司对其进行了开发应用。它以蓝晶石矿为起始原料,加入添加剂后经湿磨、压滤、真空挤泥成型,最后在1500℃~1650℃下煅烧制得。根据合成的蓝晶石基莫来石Al2O3含量的不同,可将其分为KBM45、KBM50、KBM55、KBM60等系列。

其中,合成KBM45和KBM50采用的基础原料是Al2O3含量在45%左右的低品位蓝晶石矿,KBM50则添加有少量的工业氧化铝来调配其成分,合成温度分别在1500℃和1600℃。而KBM55和KBM60则将Al2O3含量在50%左右的中品位蓝晶石矿作为原料,在此基础上加入不同量的工业氧化铝来调节其Al2O3含量,并加以不同量的复合助烧结剂,合成温度分别在1600℃和1650℃。四种蓝晶石基莫来石原料的部分物理性能如表3所示。

4、广西白泥

广西白泥是一种软质高岭土,其主要化学成分为SiO2含量45.3%~51.6%,Al2O3含量26.0%~36.8%,Fe2O3含量0.65%~2.20%,K2O+Na2O<1.50%。广西白泥的主要矿物组成为无序高岭,其含量有时高达90%,其次为石英,一般含量在30%以下,此外,还含有微量的钛铁矿物等。作为耐火材料结合剂,广西白泥具有极好的流动性、可塑性和结合性等物理性能,是我国目前所发现质量最好的软质耐火粘土。广西白泥广泛应用于耐火材料行业,包括制作出粘土结合浇注料、喷补料、耐火结合粘土、炮泥添加剂等。其中市场上销售的一种广西金石维罗白泥理化指标如表4所示;


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