焦炉用耐火材料

焦炉用耐火材料（1）硅砖硅砖是以石英岩为原料，经粉碎，并加入粘结剂、矿化剂经混合、成型、干燥和按计划加热升温而烧成的。

硅砖含SiO2大于93%，系酸性耐火材料，具有良好的抗酸性渣的侵蚀作用。

硅砖的导热性能好，耐火度为1690~1710℃，荷重软化点可高达1640℃，无残余收缩。

其缺点是耐急冷热急性能差，热膨胀性强。

SiO2（二氧化硅）在不同的温度下能以不同的晶型存在，在晶型转化时会产生体积的变化，并产生内应力，故硅砖的制造、性能和使用与SiO2的晶型转变有密切关系。

SiO2能以三种结晶形态存在，即石英、方石英和鳞石英，而每一种结晶形态又有几种同素异形体。

即：α石英、β石英；α方石英、β方石英；α鳞石英、β鳞石英、γ鳞石英。

三种形态及其同素异形体，是以晶型的密度不同来彼此区分的,它们在一定的温度范围内是稳定的，超过此温度范围，即发生晶型转变。

例如：密度为2.53的α石英，在加热到870℃时，转变为新的密度为2.2.的α鳞石英，当温度达到1710℃时转变成石英玻璃。

SiO2的晶型转变如图1所示。

α石英870℃α鳞石英1470℃α方石英1710℃石英玻璃（y=2.53）（y=2.23）（y=2.23）570℃163℃180~270℃±0.82%±0.2%±2.8%β石英β鳞石英β方石英（y=2.65）（y=2.23）（y=2.23~2.32）170℃±0.2%γ鳞石英（y=2.26~2.28）图1SiO2晶型转变图从图1可以看出，这种转变可分为两类，一种是横向的迟钝型转变，这是一种结晶构造过渡到另一种新的结晶构造。

这种转变是从结晶的边缘开始的向结晶中心缓慢地进行，需较长的时间，且在一定温度范围内才能完成，一般只向一个方向进行。

但在实际烧成过程中，SiO2并非是单一地从α石英—α鳞石英—石英玻璃的转变：1）α石英α鳞石英。

此时体积膨胀为16%。

2) α石英α方石英。

此时体积膨胀可达14.5%。

3）α鳞石英α方石英。

4）α方石英α鳞石英。

5）α鳞石英石英玻璃。

α方石英另外一种转换为图1所示的上下转化，称为高低型转化，此种转变没有晶格的重排，只有晶格的扭曲或伸直，因此转化速度快且是可逆的。

各种型态的SiO2转化温度和体积变化不同，如图2所示：方石英在180~270℃转化，体积变化最剧烈，而570℃时石英转化体积变化较小，鳞石英有两个晶型转化点：117℃和163℃,体积变化最小。

因此用于焦炉的硅砖，希望在制造过程中，尽量转化为鳞石英。

但实际生产的硅砖制品总是三种晶型同时存在。

由于三种石英中鳞石英的密度最小，因此鳞石英含量愈高的硅砖，其真密度愈小，如表2。

硅砖制品的体积变化曲线是复相组织体积变化的总和。

图3是两种密度（比重）不同的硅砖膨胀、收缩曲线。

由图3和表2可以看出真密度小的硅砖，石英转化较完全，膨胀过程平稳，残余膨胀小，有利于保持炉体严密。

此外，鳞石英的荷重软化温度高，导热性能好，故焦炉要尽量采用真密度小的硅砖，一般要求在2.38以下，优质硅砖的真密度应在2.34~2.35之间。

表2不同真密度硅砖的矿相组成从图3和图1中还可看出，硅砖的热膨胀是不均匀的，600℃以前晶型转变较多，故体积变化较大，而且在117℃、163℃、180~270℃和570℃等几个转化点,体积变化尤为显著,这时最容易引起砌体变形和开裂。

因此这对焦炉各部分材质的选用，对焦炉的砌筑、烘炉、生产维修及冷炉等都有重要意义。

由于硅砖具有多种优点，因此用于焦炉可以提高燃烧室的温度，缩短结焦时间，增加焦炉生产能力，延长炉体的使用寿命，故现代焦炉主要用硅砖砌筑。

600~700℃以下时，硅砖对温度的剧变抵抗性能差。

这是由于高低型晶型转变，体积突然膨胀或收缩所至，因此硅砖不宜用于温度剧烈变化的部位。

但在700℃以上时，由于硅砖的体积变化比较平稳，因此能较好地适应温度的变化。

目前有一种用高密度硅砖砌筑焦炉的趋势，高密度硅砖是指气孔率在10%~13%范围内的硅砖，它的特点是密度高，气孔率低，因此导热性能及强度均比普通硅砖好。

表3为焦炉用硅砖的理化指标。

（2）粘土砖粘土砖的主要原料是耐火粘土和高岭土，其主要成分十高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O），其余部分为：K2O 、Na2O、caO、MgO及Fe2O3等杂质。

它们约占6%~7%左右。

粘土砖是以经煅烧的硬质耐火粘土（熟料）与部分可塑性粘土经粉碎、混合成型、干燥后烧成的。

加入熟料是为了减少烧成及使用过程中的收缩，提高成品率和使用寿命。

烧成过程是高岭石不断失水，分解生成莫来石（3Al2O3·2SiO2）结晶的过程。

其主要反应如下：温度在450~650℃高岭石分解出结晶水：Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3·2SiO2＋2H2O温度在600~830℃脱水高岭石分解为AlO及SiO2γ－Al2O3＋2SiO2。

温度在930~950℃时，γ－Al2O3再结晶为α－Al2O3，并开始生成莫来石结晶，3Al2O3＋2SiO23Al2O32SiO2。

粘土中的杂质在烧成过程中与氧化铝、氧化硅形成共晶低熔点硅酸盐，在烧成的粘土砖中形成包围在莫来石周围的非晶质玻璃相。

一般烧成的的粘土制品中含有30~45%的莫来石结晶，在其周围除上述非晶质玻璃相外，还有部分方石英。

表3焦炉用硅砖的理化指标粘土砖属于酸性耐火材料，能很好地抵抗酸性渣的浸蚀，对碱性渣的抗蚀能力较差，其耐火度虽高，但荷重软化开始温度较低，而且软化变形温度间隔很大，可达200℃，实际上在远低于荷重软化开始温度之前即开始发生高温蠕变。

这是因为在粘土砖中除了高耐火度的莫来石结晶外，还含有几乎达50%的玻璃相，后者的软化开始温度很低，但熔融物的粘度却很大，故出现上述情况。

粘土砖的热稳定性好，但导热性和机械强度较硅砖差。

图4为粘土砖的热膨胀曲线：与硅砖相比，粘土砖的热膨胀总量比硅砖要小，且膨胀量基本上与温度成比例地直线土砖焦炉在炭化室温度变化范围内的体积变化量要比硅砖焦炉大。

由于粘土砖焦炉加热到1100℃的总膨胀量较小且均匀，抗温度急变性强，故粘土砖焦炉的烘炉期短，但加热到1200℃以上时，会出现残余收缩，这是由于粘土制品中的矿物继续产生再结晶，以及在高温下制品中的低熔点化合物逐渐融化，在表面张力的作用下使固体颗粒互相靠近所致。

收缩的大小与配料组成及烧成温度有关。

因此粘土砖焦炉在高温下长期使用过程中，砖缝可能产生空隙，破坏砌体的严密性。

由于上述特点，对大型焦炉粘土砖不用于高温部位，主要用于温度较低且波动较大的部位，如炉门、上升管衬砖、小烟道衬砖、蓄热室封墙和炉顶等。

粘土砖原料来源广，制作容易，成本低，因而有些小焦炉可采用粘土砖砌筑，但一定要严格控制操作温度，以免造成焦炉损坏。

焦炉用粘土砖其理化指标如表4：表4焦炉用粘土砖的理化指标（3）耐热混凝土它是一种能长期承受高温作用的特种混凝土，是由耐火骨料，适当的胶结材料（有时还掺入矿物质和有机掺合料）和水按一定比例调制成泥料，经捣制或振动成型、继而凝结、硬化、脱模、养护烘干而产生的具有一定强度的耐高温制品。

通常以矾土、非耐火砖、高炉矿渣等作骨料，以矾土水泥、硅酸盐水泥、磷酸和水玻璃等作为胶凝材料，根据骨料和胶凝材料的不同，耐热混凝土分为很多类型，其组成不同，性质各异，因而其使用范围也不同。

这种耐火制品与耐火砖相比，有以下优点：1）使用前不必经过烧结，减少了制造耐火砖复杂的工艺，制备工艺简单，可就地制成各种需要的形状。

2）常温下迅速产生强度，而且维持到操作温度下而不下降。

耐火混凝土在焦炉上已试用多年，主要用于炉门和上升管衬砖等部位。

（4）耐火泥耐火泥是一种使砌体成为一个整体的粘结剂，它应有与砌体用砖相一致的性能，对焦炉用耐火泥有下述要求：1）常温下有较好的粘结性。

2）有较小的收缩性，以防砖缝干时开裂。

3）有一定的耐火度和荷重软化开始温度。

4）有一定的保水性，便于施工，保证质量。

5）符合耐火泥操作条件的烧结温度，使其在该温度下发生烧结作用，以增加砌体的机械强度，因此应根据砖种及操作温度采用相应的耐火泥。

凡与金属埋入件相接触的砌体部位，需在火泥中加入精矿粉。

用于砌筑焦炉顶面砖时，应在火泥中加入能增加强度的水硬性胶结剂—硅酸盐水泥和石英砂。

硅火泥是用硅石，废硅砖粉和耐火粘土（生粘土）配制而成的粉料。

硅石是硅火泥的主要原料，硅石中SiO2含量愈高，则火泥的耐火度愈高。

废硅砖粉的加入能改善火泥与硅砖的高温粘结性能，这是因为硅砖粉具有与硅砖相一致的热膨胀曲线，因此在石英、晶型转化时而引起的体积变化时，火泥脱离硅砖的可能性较小，粘附于硅砖的能力良好。

一般硅砖粉含量在20~30% 较合适。

硅火泥中加入生粘土可以增加可塑性，降低透气性和失水率，但加入量不宜过大，否则会使硅火泥的耐火度降低、收缩率增加，一般以不超过15~20% 为宜。

根据SiO2的含量不同，可分为高、中、低温火泥，硅火泥的技术指标如表5：表5硅火泥的技术指标硅火泥对粒度的要求：1mm以上的不大于3%，小于0.2mm得不小于80%。

在实际使用中，还有使用性能问题，即打上灰浆后的砖在砌筑中能随意揉动、敲打，砌上后砖与灰浆应能牢固地结合，一般好用的灰浆应能活动15~20s，可用“时间”表示使用性能，而使用性能与颗粒组成有关，实践表明，粒度太细或太粗其失水速度快，不宜使用，比较合适的粒度组成如下：粒度，mm＜0.077＜0.1＜0.2＜0.44组成，%68~7084~8890~94＞99粘土火泥：它是由煅烧过的块状熟料或粉碎粘土砖加入结合粘土（生粘土）制成。

熟料是粘土火泥的主要成分，约占75~80%。

生粘土是结合剂，加入生粘土可增加可塑性，降低透气性和失水率，但加大收缩性，配入生粘土过多容易产生裂纹，故配料比不宜过大，约占20~25%。

粘土火泥的技术性能入表6粘土火泥的技术指标粘土火泥的使用温度一般均低于1000℃。

焦炉用粘土火泥一般维细粒级及中粒级，粒度分别为通过0.5和1mm的筛孔应大于97%。

粘土火泥除用于砌筑粘土砖部位外，还大量用于修补焦炉。

（5）其它砌筑材料1）隔热材料通常导热系数小于0.837Kj/m·h·K的建筑材料。

一般它具有气孔率大而气孔小，机械强度低，体积密度小等特点，常见的隔热材料及其主要性能如表7。

表中所列的各种隔热材料中，轻质粘土砖以粘土为原料，其中加入一定比例（30~50%）的木屑烧制而成的粘土砖，有多种牌号，它们的体积密度为0.4~1g/cm3,耐火度为1690℃。

一些隔热材料的主要性能硅藻土砖是以硅藻土为原料的制品，也可以加入一定量的可燃物，用以增大制品的气孔率以增加其保温性能。