硅磚是主要由鱗石英、方石英以及少量殘余石英和玻璃相組成的酸陛耐火材料，對(duì)酸陛爐渣抵抗能力強(qiáng)，但會(huì)被堿性渣侵蝕，不耐Al2O3、K2O、Na2O等氧化物侵蝕，它的荷重軟化溫度高，介于1640～1680℃之間，與鱗石英、方石英熔點(diǎn)(分別為1670℃和1713℃)接近，最大的缺點(diǎn)是熱震穩(wěn)定性低，但耐火度與荷重軟化溫度相近，在高溫下長(zhǎng)期使用不變形，有利于保證砌筑體在使用時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

　　硅磚主要用于煉焦?fàn)t的炭化室和燃燒室的隔墻，均熱爐、熱風(fēng)爐、酸性平爐和玻璃窯爐的爐頂或拱頂?shù)炔课弧，F(xiàn)今在煉鐵技術(shù)方面，直接還原與融熔還原煉鐵新技術(shù)正在逐步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，而在煉焦工業(yè)，已研制出一種不用焦?fàn)t生產(chǎn)的“成型焦炭”，可以替代一部分傳統(tǒng)焦炭。隨著這些新技術(shù)的推廣，硅磚的需要量將逐步減少。然而，在國(guó)內(nèi)外玻璃窯上，硅磚除了在蓄熱室格子體和部分胸墻部位被其它磚替代外，在熔窯碹頂，硅磚仍保持其優(yōu)勢(shì)地位。

　　硅磚同大多數(shù)燒結(jié)耐火磚一樣均采用半干法生產(chǎn)制品、隧道窯燒成，它在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)裂紋是導(dǎo)致其廢品率提高的主要原因之一。本文對(duì)硅磚成品的裂紋類型和成因進(jìn)行分析，說(shuō)明通過(guò)嚴(yán)格控制硅磚生產(chǎn)主要的機(jī)壓成型和燒成工藝環(huán)節(jié)，能減少硅磚裂紋形成，并顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量。此經(jīng)驗(yàn)對(duì)其它燒結(jié)耐火材料的生產(chǎn)也有借鑒作用。

　　硅磚裂紋的類型

　　硅磚制品的裂紋可分為表面裂紋和內(nèi)部裂紋，后者也稱為層裂。表面裂紋又分為橫向裂紋、縱向裂紋和網(wǎng)狀裂紋。硅磚是采用半干料機(jī)壓成型方法制備致密坯體的，沿磚坯加壓方向產(chǎn)生的裂紋為橫向裂紋，垂直于磚坯的加壓方向產(chǎn)生的裂紋為豎向裂紋，而硅磚制品表面由數(shù)條裂紋組成的，呈蛛網(wǎng)狀分布的裂紋，即網(wǎng)狀裂紋，參見(jiàn)圖1。

　　圖1  硅磚表面裂紋類型

　　通常，就一塊標(biāo)準(zhǔn)型硅磚而言，其坯體加壓方向一般為厚度方向。硅磚制品的成型過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)使坯料內(nèi)顆粒密集和空氣排出、形成致密坯體的過(guò)程。磚坯經(jīng)機(jī)壓成型后，具有密度高、強(qiáng)度大、干燥收縮和燒成收縮小、制品尺寸容易控制等優(yōu)點(diǎn)。但是，當(dāng)機(jī)壓成型工藝控制不當(dāng)，坯體在加壓過(guò)程中會(huì)形成的垂直于加壓方向的層狀裂縫，因此，硅磚內(nèi)部的層狀裂縫或者簡(jiǎn)稱層裂，亦是縱向裂紋。

　　大的層裂在磚坯剛成型，或磚坯干燥后就可檢測(cè)出來(lái)。但磚坯中微小層裂，只有在硅磚燒成過(guò)程中隨熱應(yīng)力的作用繼續(xù)擴(kuò)展，才能在燒后明顯地被檢測(cè)出來(lái)。含有裂紋缺陷尤其是層裂的硅磚容易發(fā)生斷裂，既不能使用，又降低了硅磚制品的成品率。

　　硅磚裂紋形成和預(yù)防的主要措施

　　機(jī)壓成型

　　硅磚的層裂主要由于機(jī)壓成型工藝控制不當(dāng)造成，所以有時(shí)也稱之為機(jī)壓裂紋。硅磚的坯料和磚坯，都是由固體、水或其它結(jié)合劑和空氣三相物質(zhì)共同組成的。在整個(gè)機(jī)壓成型或稱為模壓成型過(guò)程中，固相和液相量沒(méi)有改變，而坯料中空氣的數(shù)量則由于壓力的作用被壓縮和減少，被壓縮的坯料容積亦相應(yīng)減少。模壓成型過(guò)程大致可分為以下三階段。

　　第一階段，在壓力的作用下，坯料中的顆粒開(kāi)始移動(dòng)，重新配置成較緊密堆積。該過(guò)程的特點(diǎn)是壓縮明顯。當(dāng)壓力增至某一數(shù)值后，進(jìn)入第二階段。

　　第二階段，顆粒發(fā)生脆性及彈性變形，坯料被壓縮到一定程度后，即阻礙進(jìn)一步壓縮。當(dāng)壓力增加，達(dá)到使顆粒再度發(fā)生變形的外力時(shí)，引起坯料的再壓縮，坯體致密度隨之增加。這個(gè)階段是壓縮及增壓變得短促而頻繁的階段。

　　第三階段，在極限壓力下，坯料的相對(duì)致密度基本穩(wěn)定，難以提高。磚坯的模壓成型結(jié)束。在模壓成型過(guò)程中，必須將彈性后效所造成的坯體滯后膨脹量控制為2%以下，否則往往在壓制過(guò)程中直接造成廢品。如果沿磚坯加壓方向坯體形成“層密度”，密度差大于2%，磚坯內(nèi)部就容易產(chǎn)生層狀裂紋的缺陷，使得磚坯在燒成過(guò)程中熱膨脹不均而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，形成平行于密度層的縱向裂紋以致報(bào)廢。

　　壓制硅磚時(shí)宜用長(zhǎng)徑比小的短模，不宜采用長(zhǎng)徑比大的高模，來(lái)提高坯體內(nèi)壓力分布的均勻性。同時(shí)，采取向坯料中引入某些塑化劑及表面活性劑，降低坯料內(nèi)摩擦，減少壓力傳遞損失;提高模具的光潔度或?qū)δＷ油坑?，降低坯料外摩?采用雙面壓制，降低坯體L/D比值;采用多次加壓，先輕后重方式，避免磚坯內(nèi)壓力不致積蓄過(guò)大及消除彈性后效等技術(shù)措施，提高磚坯內(nèi)部壓力與密度的均勻性。從而，避免硅磚坯體中距受壓面近的地方密度大，距受壓面遠(yuǎn)的地方密度小，以減少層密度形成導(dǎo)致裂紋缺陷的產(chǎn)生。

　　此外，硅磚坯料是由骨料、熟料、球磨粉、礦化劑、亞硫酸紙漿廢液及增塑劑經(jīng)混練制備而成，改善坯料的捏練工藝，也有助于提高磚坯的密度。從物體混合技術(shù)而言，使物料同相之間發(fā)生移動(dòng)叫混合，異相之間的移動(dòng)叫攪拌，而將高黏度液體與固體相互混合的操作叫捏練(捏合與混練)。通過(guò)合理捏練，可以完成細(xì)粉對(duì)大顆粒的包覆，有效排除氣體，提高坯料致密化程度，從而降低磚坯氣孔率。

　　硅磚的燒結(jié)實(shí)際上是SiO2的同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變過(guò)程，硅石原料在礦化劑作用下，經(jīng)緩慢燒成，基本上轉(zhuǎn)化為鱗石英、方石英，僅有少量殘余石英。硅磚在使用中加熱到1450℃時(shí)有1.5%～2.2%的總體積膨脹，這種殘余膨脹會(huì)使砌縫密合，有利于保證硅磚砌筑體呈現(xiàn)良好的緊密性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。而且這種SiO2的同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變，決定了烤窯前期階段耐火材料監(jiān)控的重點(diǎn)是硅磚，升溫速率以慢速均勻?yàn)樘卣?。硅磚在150～300℃溫度范圍內(nèi)，由于其中β、α-方石英的晶型轉(zhuǎn)變伴隨較大的體積效應(yīng)，在烤窯時(shí)應(yīng)特別注意在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行緩慢升溫。

　　石英轉(zhuǎn)變?yōu)轺[石英的轉(zhuǎn)化速度和程度，不僅與溫度的高低和礦化劑的存在有關(guān)，而且也與溫度的作用時(shí)間、原料的顆粒大小、轉(zhuǎn)化相結(jié)晶大小等因素有關(guān)。溫度高、高溫作用時(shí)間長(zhǎng)、顆粒小、結(jié)晶小、礦化劑作用強(qiáng)，則轉(zhuǎn)化快，反之則慢。硅磚的主晶相為鱗石英和方石英，鱗石英熔點(diǎn)1670℃，具有較高的體積穩(wěn)定性。如果硅磚中鱗石英呈矛頭狀雙晶形態(tài)相互交錯(cuò)為網(wǎng)絡(luò)狀分布，能夠使硅磚具有較高的荷重軟化點(diǎn)及機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)硅磚中殘余石英較多時(shí)，由于在使用中它會(huì)繼續(xù)進(jìn)行晶型轉(zhuǎn)變，體積膨脹較大，會(huì)導(dǎo)致磚體結(jié)構(gòu)松散開(kāi)裂。硅磚在燒成過(guò)程中發(fā)生的物理一化學(xué)變化可歸納如下：

　?、?lt;150℃排除磚坯的殘余水分。

　?、?50—550℃時(shí)Ca(OH)2開(kāi)始分解，550℃分解完畢，此時(shí)硅磚顆粒之間的結(jié)合由于CaO等作用而破壞，強(qiáng)度下降，坯體變脆。

　?、?50～650℃時(shí)，β一石英磚轉(zhuǎn)化為一石英，體積膨脹。

　?、?00～700℃時(shí)，CaO與SiO2之間發(fā)生固相反應(yīng)，坯體強(qiáng)度提高。

　　⑤800～1100℃時(shí)，磚坯出現(xiàn)液相反應(yīng)，坯體強(qiáng)度迅速增加。從1100℃開(kāi)始，石英的轉(zhuǎn)化速度大為增加，這時(shí)低比重石英變體，產(chǎn)生較大體積膨脹。

　　⑥1300～1350℃時(shí)，由于鱗石英和方石英數(shù)量增加，坯體真比重降低，同時(shí)體積膨脹加大有可能導(dǎo)致開(kāi)裂。

　?、?350～1470℃時(shí)，石英的轉(zhuǎn)化程度和由此產(chǎn)生的膨脹很大，僅一石英、亞穩(wěn)定方石英和礦化劑及雜質(zhì)等相互作用形成液相，并侵入石英顆粒在形成亞穩(wěn)定方石英時(shí)出現(xiàn)裂紋中，促進(jìn)了一石英和亞穩(wěn)定方石英不斷地熔解于所形成的液相中，使之成為硅氧的過(guò)飽和熔液，然后以穩(wěn)定的鱗石英形態(tài)不斷地從熔液中結(jié)晶出來(lái)。此時(shí)液相粘度愈大，硅磚轉(zhuǎn)化速度愈快，磚坯產(chǎn)生裂紋可能性愈大。

　　因此，為防止硅磚在燒成過(guò)程中發(fā)生晶型變化，伴隨較大的體積變化導(dǎo)致裂紋的形成，必須采取以下工藝措施：

　　要控制燒成不同溫度范圍的升溫速率。小于600℃升溫速率放慢，600～1000℃時(shí)升溫速率可加快，1100～1300℃時(shí)升溫速率應(yīng)緩慢，1300℃~燒成溫度(1430℃至1450℃)時(shí)，升溫速率應(yīng)是燒成過(guò)程中最慢的。燒成后的硅磚冷卻時(shí)在600℃以下，特別在300℃時(shí)應(yīng)緩慢。這樣可以有效緩沖晶型轉(zhuǎn)變的體積變化，使其鱗石英及方石英含量較高，并避免裂紋的形成。

　　應(yīng)在高溫?zé)呻A段采用還原氣氛，有利于低價(jià)氧化鐵的礦化作用和促進(jìn)鱗石英大量生成。否則，在氧化氣氛下尤其礦化劑不足時(shí)，α-石英大多數(shù)轉(zhuǎn)化為α-方石英，這種轉(zhuǎn)變稱為“干轉(zhuǎn)化”。在干轉(zhuǎn)化時(shí)，由于磚體不均勻的體積膨脹很大，而又無(wú)液相緩沖應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致制品結(jié)構(gòu)松散和開(kāi)裂。同時(shí)，應(yīng)在硅磚燒成的不同溫度階段進(jìn)行適當(dāng)保溫，使硅磚具有合理相組成，滿足使用要求。

　　改善半成品裝車制度，降低裂紋發(fā)生的概率。硅磚的橫向裂紋，即平行于制品的加壓方向裂紋(圖1)，通常為制品燒成時(shí)各部分受熱不均所致，它們多出現(xiàn)在磚垛外側(cè)的受火面，特別是頂層的制品表面。而硅磚表面網(wǎng)狀裂紋，除了由于捏練不勻或原料變化，使得坯體本身微觀不均勻的起因外，通常是由于制品受熱溫度過(guò)高且起伏較大所致。在裝車時(shí)，需要將特異型硅磚放置于窯車的內(nèi)部，標(biāo)準(zhǔn)普通型磚裝在窯車的外部;異型磚的凸出部位或易出現(xiàn)裂紋的部位向里;窯車頂部要覆蓋一些薄片磚，以避免火焰的直接沖擊等措施，否則將會(huì)導(dǎo)致裂紋增多。

　　結(jié)  語(yǔ)

　　裂紋是影響硅成品率及性能的主要因素之一，抓住機(jī)壓成型和燒成工藝是避免硅磚裂紋形成的關(guān)鍵。硅石原料的理論和實(shí)際轉(zhuǎn)化情況有所不同，需根據(jù)原料、磚型種類等變化實(shí)時(shí)地調(diào)整其燒成制度。硅磚坯料的制備和質(zhì)量是重要的，甚至是關(guān)鍵的因素，只有嚴(yán)格控制好每一道工藝環(huán)節(jié)，方能高效低耗地產(chǎn)生性能良好的硅磚產(chǎn)品。