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1

SiO2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：

Al2O3·2SiO2·2H2O

Al2O3·2SiO2＋2H2O

温度在600~830℃脱水高岭石分解为AlO及SiO2

γ－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＋2SiO2

3Al2O32SiO2。

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