硅石耐火材料

• 硅砖理想的矿物组成是主要矿物为鳞石英， 其次是方石英。 残余石英（β -石英 ）越少 越好。
• 硅砖中石英转变程度用真比重衡量，一般小 于2.38g/cm3。优质硅砖真比重2.32～ 2.36之间。
3.1.2 硅砖的性质
真密度和体积密度
• 真密度为考核硅砖的一个重要性能指标。反映硅砖中SiO2的 各相组成，尤其是鳞石英的含量。
3.1硅砖的组成、显微结构与性质
• 3.1.1 硅砖的组成、结构及对性质的影响 • 由两表可以看出：硅砖中SiO2含量在93％以上；一般硅砖中的晶
相为鳞石英和方石英以及少量残存石英，基质为玻璃相。
化 学 成 分 SiO2
Baidu Nhomakorabea
%
93-98
Al2O3 0.5-2.5
Fe2O3 0.3-2.5
CaO 0.2-0.7
• 荷重软化温度：硅砖的荷重软化温度较高，一般为1620 ～1670℃，与其耐火度接近，也接近于鳞石英的熔点。 这主要是因为构成硅砖的主晶相为具有矛头状双晶的鳞 石英形成网络状结构和基质为粘度较大的玻璃相所致。
• 高温体积稳定性 硅砖在加热过程中，除了存在一般的热膨胀外，还发生 晶型转变并伴有体积膨胀。
• 高密度硅砖具有较高的导热系数。
• 因此，对于一些要求高导热系数的硅砖，如焦炉 硅砖，常加入CaO、Na2O 、TiO2、Fe2O3等添加 剂。 CaO作用最好，据报道CaO可使导热系数提 高20%， Fe2O3次之， TiO2最差。
• 由于这些添加剂对硅砖的其他高温性质有影响， 所以不宜加入太多，在2%左右为宜。
这种亚态变体的结构和物理性质是相似的， 转变时Si-0键没有被破坏和断开，只有键的角度 发生变化，晶格发生扭曲或伸直，消耗能量小， 转变温度低，转变速度快，体积效应小，只要达 到转变温度，晶体从中心到边缘全部立刻转变， 故称为快速型转变。
干转变与湿转变
• 低温型石英转变为高温型石英过程中，石英颗粒 会开裂。如有矿化剂存在时，形成的液相就会沿着裂 纹侵入颗粒内部，促使石英转变为鳞石英。通常，这 种转变称为湿转变。
• 硅砖真密度的大小是判断其晶型转变程度的重要标志之一。 一般硅砖的真密度在2.38g/cm3以下，优质硅砖在2.32～2.36
g/cm3范围内，硅石为2.65g/cm3 。
• 硅砖的体积密度与气孔率有关。一般硅砖的显气孔率为17～25 ％，体积密度为1.8～1.95g／cm3。
硅砖真密度与矿物组成的关系
硅砖真密度g/cm3 鳞石英含量 %
2.33
80
方石英含量 石英含量% %
13
1
玻璃相含量%
7
2.34
72
17
3
8
2.37
63
17
9
1
2.39
60
15
9
6
2.40
58
12
12
18
2.42
53
12
17
18
• 耐火度：硅砖的耐火度为1600～1730℃。随着SiO2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，硅砖的耐火度不高，不能满足强化冶 炼的要求。
• 因此，方石英的含量高，有利于提高硅砖的耐火度；而 鳞石英含量高，则因其具有矛头双晶。在砖中相互交错 形成网络状结构，有利于提高制品的荷重软化温度。
• 由于残余石英在高温下可继续向方石英或鳞石英转变， 并伴有较大的体积膨胀，故其含量愈少愈好。
硅砖体积密度对导热系数的影响
• 由图可见，随硅砖显气孔率的提高，其导热系数下 降。
• 如果很少或几乎没有矿化剂时，石英开始形成半安 定方石英，然后形成方石英，这种转变称为干转变。 干转变时砖坯产生较大的不均匀膨胀，又无液相缓冲 应力，会造成制品的结构开裂和松散。
• 经过高温烧成后，硅砖的性能主要与SiO2的晶型有关。 各种晶型的熔点不同：石英的熔点最低，为1600℃；方 石英的熔点最高为1723℃，鳞石英为1670 ℃。
• 耐热震性 硅质耐火制品的耐热震性很差，在850℃下水冷仅为1～ 2次。当硅砖的使用温度在600℃以上波动时，由于结晶 不发生快速型转变，它的耐热震性较好。在600 ℃以下 ，由于多晶转变导致较大的体积变化，因此使用硅砖的 炉子不宜冷却至600 ℃以下。
矿物组成 磷石英 方石英
%
30-70
20-30
石英 3-15
R2O 1-1.5
玻璃相 4-10
• 硅砖的组成决定其性质
• SiO2有8个变体：α-石英、β-石英、 α-鳞石英、β -鳞石英、γ -鳞石英 α-方石英、β –方石英、石英玻璃
变体分为两类：第一类变体是石英、鳞石英和方石英，它们的晶型结构 极不相同，彼此间转化很慢；第二类变体是上述变体的亚种──α β 和γ 型，它们的结构相似，相互间转化较快。
• 不同晶型之间的转变从晶体的边缘开始，逐渐发展 至中心， 必须破坏原有的晶体结构，使Si-0键断开， 实现原子的重新排列，组成新的结构。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，故称为迟钝型转变。
同一晶型亚态之间的转变（快速型转变）
同一晶型亚态、型之间也发生相互转变，并 且是可逆的。由于快速转变是在瞬时发生的，其 体积效应危害大。
3.硅石耐火材料
• 硅石耐火材料是指以天然硅石为主要原料制得的 耐火材料。
• SiO2含量不得少于93%。
• 85% ≤SiO2含量＜93%——称为硅质耐火材料。 • 习惯上，把硅石耐火材料叫硅质耐火材料。
普通硅砖 • 种类：硅砖（最常见）
高密度硅砖
特种硅砖、石英玻璃
• 主要用途：焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉 以及其他热工设备。
• 根据转变特点和速度，SiO2晶型转变分为两类：迟钝 型转变（重建型）和快速型转变（位移型）。
不同晶型之间的转变（迟钝型转变）
• 在加热过程中，石英、鳞石英、方石英及硅氧溶液（ 石英玻璃）之间发生相互转化，是属于由一种晶型转 变成另一种晶型的转变过程（重建型转变，速度慢、 时间长）。这种转变过程伴随有较大的体积效应。一 般是不可逆的。晶型之间在结构和物理性质上存在较 大的差别。
• 硅砖自1822年被英国人制成开始，已有188年历史。 • 1834年起，在炼钢炉厂的耐火材料中保持首要地位。 • 随着炼钢技术的发展，平炉基本被淘汰，硅砖也逐渐
被高铝质耐火材料所取代。 ——至此，硅砖基本退出了炼钢领域。因而
消耗量也大减，20世纪70年代以来年均消耗量为十几 万吨，占全部耐火材料的1-3%。