高铝碳化硅砖在钢铁行业的应用-河南衡宜安新材料有限公司

高铝碳化硅砖在钢铁行业的应用

2018/9/3 9:54:05 点击：

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[6]。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1 000 ℃时氧化为Al2O3，SiC在1250 ℃时氧化为SiO2，Al2O3和SiO2在1 400 ℃时开始反应形成莫来石[7]。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。

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1 100 ℃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。

2 硅莫砖的技术性能

随着硅莫砖工艺技术的进步，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品牌发展为多个品牌，具有代表性的理化指标见表2。

(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2.7～3.0 g/cm3。根据文献[8]，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、过滤带等部位

使用效果好，可以说耐磨性好起了很重要的作用。

(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1 450 ℃以上，最高1 650 ℃以上。不同品牌的制品荷重软化温度有一定差异(见表2)。水泥回转窑内衬的不同部位砖面温度不同，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HMS-1680牌号，而后过渡带、冷却带等温度较低部位可选择HMS-1650、HMS-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 ℃)。

与烧成带相比，过渡带由于没有窑皮保护，容易受到还原气氛和热负荷等的影响，其使用寿命一直是水泥回转窑的瓶颈问题，因此一些水泥厂在过渡带采用镁铝尖晶石制品。根据某厂5 000 t/d大型水泥回转窑过渡带用镁铝尖晶石砖研究得出[9]：前过渡带用镁铝尖晶石砖基本无侵蚀，可是由于碱沉积在开口气孔中，使结构致密化，造成同一块砖形成不同段带，而使砖热面剥落和产生裂隙，造成内衬损毁。而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，1 100 ℃水冷试验都在10次以上，最高达46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[11]，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。

3 硅莫砖在水泥回转窑的应用

我国生产的硅莫砖，在国内自行设计的2000～10 000 t/d大型水泥回转窑上得到了广泛应用。据了解，有的窑筒体除了长约20 m的烧成带用直接结合镁络砖、前后窑口各0.8 m左右用浇注料外，全部采用硅莫砖(图1)。烧成带的后部，所谓的次烧成带，一般与烧成带一样，用直接结合镁络砖，但窑皮很难稳定。由于镁络砖热震稳定性差，抗磨强度低，砖与窑皮结合部分易随窑皮剥落，影响该段的使用寿命，而硅莫砖由于热震稳定性好，使用过程不断裂，不剥落，抗侵蚀，使用寿命明显延长。例如：浙江余姚舜江水泥公司2 500 t/d水泥回转窑21.55 m～24.955 m原用直接结合镁铬砖，使用寿命310 d，改用硅莫砖(AZM1650)，使用寿命达410 d;安徽淮北矿业集团2 500 t/d水泥回转窑次烧带原用镁铝尖晶石砖，过渡带原用抗剥落高铝砖，在一年内抢修换砖多达3次，最短的在三个月就出现红窑。而重新配置窑衬，次烧成带改用硅莫砖1680，过渡带为硅莫砖1650，窑的使用寿命长达15个月。宁夏胜金水泥公司的2 500 t/d窑的过渡带等部位使用硅莫砖已经7个多月，没有发现任何问题，仍在使用中。

水泥回转窑过渡带的砖面温度在1 400 ℃左右，预热带、冷却带等部位的温度比过渡带要低，就是烧成带受窑皮保护，砖面的温度也不高，硅莫砖的荷重软化开始温度在1 500 ℃以上，特别是制品结构致密，由硬度高的矿物、刚玉、碳化硅、莫来石组成，耐磨性特别好，是过渡带的理想砖种。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，使用寿命是抗剥落砖的1.5～2倍[12]。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。