硅質(zhì)隔熱耐火磚制作工藝及質(zhì)量控制程序和方法

劉登山，王 奎，喻玉璽

（1.大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435001；2.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢 430081）

硅質(zhì)隔熱耐火磚是指SiO2含量在91%以上，體積密度小于1.2 g/cm3的隔熱制品。 因其具有體積密度低和荷重軟化開(kāi)始點(diǎn)溫度高， 在受熱過(guò)程中體積略有膨脹，使窯爐的整體性增強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高爐熱風(fēng)爐、 玻璃窯爐、 焦?fàn)t以及加熱爐等各種窯爐中，主要作為隔熱材料使用，特別是在以硅磚為內(nèi)襯時(shí)應(yīng)用最為廣泛[1-2]。 窯爐隔熱磚的選擇通常根據(jù)工作層所砌耐火磚的種類(lèi)來(lái)決定， 當(dāng)工作層用硅磚砌筑時(shí)，則硅磚背面應(yīng)砌筑硅質(zhì)隔熱耐火磚[3]。 其目的主要用來(lái)提高窯爐的工作效率和降低熱耗及減輕自身重量等，對(duì)窯爐的節(jié)約能耗、降低成本等具有重要意義［4］。 鑒于硅質(zhì)隔熱耐火磚在窯爐內(nèi)的重要性，對(duì)硅質(zhì)隔熱耐火磚的質(zhì)量性能提出了更高的要求。 劣質(zhì)耐火材料的使用嚴(yán)重影響了窯爐的使用壽命，甚至出現(xiàn)爐溫升高，爐況惡化等惡性后果，為了減少和避免上述事件的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)窯爐的長(zhǎng)壽、低耗，對(duì)硅質(zhì)隔熱耐火磚的質(zhì)量控制顯得更為重要。

1 原料質(zhì)量控制

1.1 主要原料

硅質(zhì)隔熱耐火磚通常采用燒盡物加入法或泡沫法制得［5］。 燒盡物加入法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，且產(chǎn)品保溫性較好，硅質(zhì)隔熱耐火磚通常采用此法生產(chǎn)。硅質(zhì)隔熱耐火磚以細(xì)碎的硅石作骨料、 硅石粉及廢硅磚粉為主要原料， 在配料中加入焦炭粉和漂珠粉等作賦孔材料， 引入石灰乳等做礦化劑以促進(jìn)石英的轉(zhuǎn)化。 對(duì)于硅質(zhì)隔熱耐火磚制品的理化指標(biāo)要求不同，原料配比就有所不同。常用硅質(zhì)隔熱耐火磚主要原料及礦化劑見(jiàn)表1。

表1 主要原料及礦化劑

1.2 主要原料簡(jiǎn)介

硅石也稱(chēng)石英巖，主要礦物是石英SiO2，其他成分均為雜質(zhì)。 硅石是硅質(zhì)耐火材料主要原料，常分為結(jié)晶硅石（再結(jié)晶石英巖）和膠結(jié)硅石（膠結(jié)石英巖）。優(yōu)質(zhì)的硅石呈致密塊狀， 有的有貝殼狀或鱗片狀斷面， 沒(méi)有明顯的層狀結(jié)構(gòu)， 在層與層之間沒(méi)有夾雜物，并且不帶石灰石外殼。 其顏色取決于雜質(zhì)，通常鐵質(zhì)化合物使硅石呈紅褐色， 有機(jī)物雜質(zhì)則使硅石帶灰色、黑色等［6］。

1.3 主要原料取樣方法及取樣量

首先對(duì)原料進(jìn)行粒度分級(jí)， 確定需要檢驗(yàn)的材料數(shù)量，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行分批；其次確定分批的批數(shù)及取樣量； 然后按規(guī)格抽取樣品量并合并成大樣；最后再按照“四分法”的規(guī)定分別縮分成試驗(yàn)室樣品。 主要原料硅石的取樣批次參照YB/T 5268-2014執(zhí)行， 取樣方法及取樣量參照GB/T 4513.2-2017執(zhí)行。 具體主要原料取樣方法及取樣量見(jiàn)表2。

表2 主要原料取樣方法及取樣量

1.4 主要原料性能指標(biāo)

主要原料性能指標(biāo)檢測(cè)參照YB/T 5268-2014等進(jìn)行。 具體性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 主要原料性能指標(biāo) (w%)

制品的使用條件、 技術(shù)要求和原料的特性是選擇原料和配比的重要依據(jù)， 在試驗(yàn)配方時(shí)必須根據(jù)原料的不同特性和對(duì)制品的要求來(lái)選擇原料。 在廠方組織生產(chǎn)時(shí)對(duì)進(jìn)廠使用原料分類(lèi)分批進(jìn)行檢查并抽樣，進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)的檢驗(yàn)，只有檢驗(yàn)合格方可進(jìn)行下一步工序的生產(chǎn)。

2 生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過(guò)程控制

2.1 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖

常用硅質(zhì)隔熱耐火磚生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 硅質(zhì)隔熱磚生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖

2.2 生產(chǎn)工藝控制

2.2.1 原料級(jí)配選擇及性能要求

硅質(zhì)隔熱耐火磚生產(chǎn)的主要原料硅石在使用前需檢選，并按粒度分級(jí)以備使用。合理的顆粒級(jí)配對(duì)保證其高荷軟、 低導(dǎo)熱系數(shù)及燒后成品率起著關(guān)鍵性的作用。 由于硅石原料的固有特性，顆粒在混煉、成型過(guò)程中會(huì)破碎， 燒成過(guò)程中由于相變會(huì)造成顆粒的膨脹與開(kāi)裂。

通過(guò)對(duì)上述因素的分析和在生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)積累， 以及所遵循的緊密堆積原則等條件與影響因素的綜合考慮， 硅質(zhì)隔熱耐火磚生產(chǎn)中的最大顆粒尺寸一般不得大于3 mm，且小于0.088 mm細(xì)粉量最少不得低于35%(w)。 合理的顆粒組成對(duì)提高制品的質(zhì)量具有十分重要的作用。若混合料中粗顆粒過(guò)多，難以保證制品表面的平滑及棱角的完整； 若混合料中細(xì)粉量過(guò)多，則會(huì)造成成型困難，容易發(fā)生層裂及燒成裂紋等質(zhì)量缺陷［7］。

粗細(xì)兩種顆粒的配比量及性質(zhì)對(duì)硅質(zhì)隔熱耐火磚在燒成過(guò)程中的燒結(jié)與松散及開(kāi)裂有很大影響。粗顆粒在磚體中形成坯體骨架，起支撐作用，對(duì)提高荷軟具有較大作用。但粗顆粒晶相轉(zhuǎn)變時(shí)間長(zhǎng)，往往發(fā)生在細(xì)顆粒晶相轉(zhuǎn)變和坯體開(kāi)始燒結(jié)之后， 所以粗顆粒的晶相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積膨脹是坯體趨于松散以致開(kāi)裂的重要原因，且粗顆粒越多，坯體開(kāi)始劇烈膨脹溫度就越低，燒成時(shí)坯體開(kāi)裂的趨勢(shì)就越大。同粗顆粒相反，細(xì)粉多處于粗顆粒堆積的空隙處。由于細(xì)粉的比表面積大， 與礦化劑作用時(shí)在較低溫度下就形成液相并達(dá)到燒結(jié)， 且小于0.088 mm的細(xì)粉是促進(jìn)燒結(jié)最具活力的部分之一。 細(xì)粉所形成液相的出現(xiàn)能緩沖部分膨脹造成的應(yīng)力， 同時(shí)細(xì)粉在強(qiáng)烈鱗石英化時(shí)所形成的結(jié)晶網(wǎng)能大大提高磚坯的強(qiáng)度并減少裂紋的形成［8］。

硅質(zhì)隔熱耐火磚的生產(chǎn)原料要求純凈， 雜質(zhì)分布均勻，不能局部集中，否則易使磚坯燒成時(shí)產(chǎn)生熔洞或熔疤， 在使用時(shí)有害物質(zhì)易從此處侵蝕深入磚體內(nèi)部， 造成損壞。 硅質(zhì)隔熱耐火磚燒成時(shí)， 由于SiO2不能由石英直接轉(zhuǎn)化為鱗石英，為了控制SiO2晶型的轉(zhuǎn)變，獲得大量的鱗石英，通常需加入石灰乳等礦化劑。石灰乳在成型時(shí)起結(jié)合劑作用，燒成時(shí)起礦化劑作用。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于單一氧化物難以滿(mǎn)足要求，常采用復(fù)合氧化物礦化劑——CaO+FeO礦化劑。 礦化劑在硅質(zhì)隔熱耐火磚燒成中形成液相， 促進(jìn)SiO2晶型的轉(zhuǎn)化。 適量的液相對(duì)硅質(zhì)隔熱耐火磚的生產(chǎn)非常必要， 但若液相過(guò)多則會(huì)對(duì)硅質(zhì)隔熱耐火磚的高溫性能產(chǎn)生不利影響， 因此在滿(mǎn)足晶型轉(zhuǎn)化要求的前提下液相越少越好。

2.2.2 坯料混煉及成型要求

硅石的粉碎是硅質(zhì)隔熱耐火磚生產(chǎn)的第一道工序，包含破粉碎、配料及混煉等步驟，擔(dān)負(fù)著為磚坯成型工序提供優(yōu)質(zhì)原料的任務(wù)。 原料的混煉通常是在星式混碾機(jī)或輪式混碾機(jī)等混碾設(shè)備中進(jìn)行，依次按照硅石粗顆粒、硅石細(xì)顆粒、焦炭粉的順序加入進(jìn)行充分混合。主要原料混合均勻后，加入礦化劑等結(jié)合劑繼續(xù)混煉。 混煉時(shí)間及加水量是主要控制參數(shù)?；鞜挄r(shí)若原料分布不均，成型時(shí)則會(huì)造成制品密度不均， 燒成時(shí)坯體各部位膨脹收縮不均易形成裂紋。 混合后的泥料應(yīng)進(jìn)行灼減量測(cè)定， 一般控制在25%（w）為宜。目前生產(chǎn)硅質(zhì)隔熱耐火磚普遍采用半干法機(jī)壓成型，由于坯料為可塑性低的瘠性料，因此成型時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加成型壓力。 成型時(shí)根據(jù)磚坯體積來(lái)決定成型壓力機(jī)的噸位及打壓次數(shù)， 通常采用150～300 t摩擦壓力機(jī)，打壓次數(shù)2～3次。

2.2.3 干燥及燒成制度

硅質(zhì)隔熱耐火磚的燒成設(shè)備主要為推板窯和隧道窯。 近年來(lái)為提高生產(chǎn)效率及響應(yīng)節(jié)能環(huán)保的要求，通常采用以天然氣為能源的推板窯燒成。磚坯的干燥必須緩慢且充分， 應(yīng)嚴(yán)格按照干燥溫度曲線進(jìn)行，坯體的干燥殘余水分應(yīng)控制在0.5%（w）以下方可入窯燒成。 合理的裝車(chē)制度也可減少燒成時(shí)裂紋的產(chǎn)生，通常采用側(cè)臥交花的方法，異型磚裝在窯車(chē)內(nèi)部，標(biāo)準(zhǔn)和普通型磚裝在窯車(chē)外部；磚的凸臺(tái)和溝舌等易于形成裂紋的部位應(yīng)向窯車(chē)?yán)飻[放， 坯體厚實(shí)的部位向窯車(chē)外擺放； 超異型等坯體強(qiáng)度低的應(yīng)裝在窯車(chē)上部［9］。 為了避免各層磚相互黏結(jié)和減少黑心，裝窯磚坯的層與層之間，應(yīng)撒上一層石英砂顆粒，且各磚坯之間應(yīng)預(yù)留5～10 mm的縫隙，便于火焰及煙氣的流通。最后，窯車(chē)頂部還應(yīng)蓋一層泡沫輕質(zhì)磚等輕質(zhì)隔熱材料作保護(hù)層， 以減少和避免火焰的直接沖擊。硅質(zhì)隔熱耐火磚燒成時(shí)要求升降溫平穩(wěn)，嚴(yán)格按照一定的速率進(jìn)行，止火溫度準(zhǔn)確，以減少制品裂紋的出現(xiàn)，提高成品率。硅質(zhì)隔熱磚的燒成過(guò)程大致可分為預(yù)熱、燒成和冷卻三個(gè)階段。硅質(zhì)隔熱耐火磚燒成曲線是根據(jù)坯體在加熱過(guò)程中的相變和體積變化的大小及礦化劑對(duì)燒成的影響等特性來(lái)確定的。 常用硅質(zhì)隔熱耐火磚燒成曲線見(jiàn)圖2［10］。

圖2 常用硅質(zhì)隔熱耐火磚燒成曲線圖

由于硅質(zhì)隔熱耐火磚的燒成較其他隔熱磚對(duì)升降溫速率敏感得多，為保證產(chǎn)品質(zhì)量及提高成品率，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照升溫制度和曲線對(duì)制品進(jìn)行燒成和冷卻。

2.2.4 晶型轉(zhuǎn)變分析

硅質(zhì)隔熱耐火磚生產(chǎn)的關(guān)鍵是根據(jù)其性能的要求，控制鱗石英、方石英、殘余石英及玻璃相的含量。晶型轉(zhuǎn)變伴隨一定的體積變化并產(chǎn)生膨脹收縮應(yīng)力。 為了得到合理的晶相組成且又因相變應(yīng)力而導(dǎo)致磚體破壞，了解和掌握各種晶型的轉(zhuǎn)換條件，以及礦化劑對(duì)其晶型轉(zhuǎn)化的影響等情況， 對(duì)硅質(zhì)隔熱耐火磚的生產(chǎn)、 加工和使用均具有重要意義。 具體的SiO2各種晶型轉(zhuǎn)化情況見(jiàn)圖3［11］。

圖3 SiO2晶型轉(zhuǎn)化示意圖

通常SiO2各變體間的轉(zhuǎn)換分為兩類(lèi)： 第一類(lèi)是低溫型轉(zhuǎn)變，即石英、鱗石英、方石英本身的α、β、γ型的轉(zhuǎn)變，即圖3中垂直方向的轉(zhuǎn)變；第二類(lèi)是高溫型轉(zhuǎn)變，即石英、鱗石英、方石英之間的轉(zhuǎn)變，即圖3中水平方向的轉(zhuǎn)變。

2.3 成型后磚坯質(zhì)量初步控制

對(duì)成型后的磚坯分批次隨機(jī)取樣進(jìn)行尺寸及外觀檢驗(yàn)。 初步尺寸檢驗(yàn)包括但不限于長(zhǎng)、寬、高、扭曲、相對(duì)邊差等，初步外觀檢驗(yàn)包括但不限于缺棱掉角、疏松、裂紋、夾雜及層裂等。 對(duì)于超標(biāo)磚檢查，量小時(shí)要及時(shí)挑出，以免混入合格磚坯進(jìn)入窯內(nèi)燒成，造成能源浪費(fèi)；量大時(shí)要及時(shí)查找原因，以免造成更大的人力、物力浪費(fèi)及損失。應(yīng)嚴(yán)禁超標(biāo)磚進(jìn)入干燥程序。還可對(duì)磚坯進(jìn)行體積密度及顯氣孔率等測(cè)定，以對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提前預(yù)判，做到及早發(fā)現(xiàn)及早處理，以免在產(chǎn)品出窯時(shí)才發(fā)現(xiàn)，延誤工期。

3 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及驗(yàn)收

3.1 組批及取樣

硅質(zhì)隔熱耐火磚的抽樣批次應(yīng)按照合同簽訂的技術(shù)協(xié)議要求執(zhí)行， 技術(shù)協(xié)議中沒(méi)有明確規(guī)定的則按照硅質(zhì)隔熱耐火磚YB/T 386-2020的要求進(jìn)行［12］。檢選后的磚碼垛堆放， 采用隨機(jī)取樣的方法進(jìn)行取樣，每批磚的數(shù)量不大于30 t。

3.2 驗(yàn)收規(guī)則

（1）硅質(zhì)隔熱磚現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量驗(yàn)收控制包括尺寸偏差控制、外觀質(zhì)量控制和斷面質(zhì)量檢查控制?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收時(shí)應(yīng)按照合同簽訂的技術(shù)協(xié)議要求執(zhí)行， 技術(shù)協(xié)議中沒(méi)有明確規(guī)定的則按照YB/T 386-2020規(guī)定的相關(guān)要求進(jìn)行。

（2）尺寸、外觀及斷面的檢查，每批取20塊磚檢查尺寸和外觀，合格后，抽取其中3塊檢查斷面。尺寸和外觀檢查的20塊磚中允許有一塊不合格， 檢查斷面的3塊應(yīng)全部合格。如檢查不合格，允許翻垛重檢，復(fù)驗(yàn)一次，復(fù)驗(yàn)結(jié)果仍不合格則整批判為不合格。產(chǎn)品尺寸、 外觀及斷面等質(zhì)量檢查的詳細(xì)檢驗(yàn)方法可參照GB/T 10326-2016執(zhí)行［13］。

（3）尺寸、外觀及斷面檢查合格后隨機(jī)取樣進(jìn)行相關(guān)理化指標(biāo)檢驗(yàn)。 所有產(chǎn)品檢驗(yàn)應(yīng)在第三方專(zhuān)業(yè)性檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。 檢驗(yàn)結(jié)果如有不合格項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)從同一批中取雙倍數(shù)量的試樣， 進(jìn)行不合格項(xiàng)目的復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)結(jié)果如有一項(xiàng)不符合技術(shù)要求，則整批判為不合格。

（4）驗(yàn)收合格的硅質(zhì)隔熱耐火磚，應(yīng)用顏色鮮明的顏料進(jìn)行逐塊編號(hào)，作出明確標(biāo)記，以便于現(xiàn)場(chǎng)施工。所有磚必須做好防雨防水措施，搬運(yùn)時(shí)應(yīng)輕拿輕放，不得碰撞、拋摔。

4 結(jié)論

（1）對(duì)硅質(zhì)隔熱耐火磚建立從主要原料、生產(chǎn)配方、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品檢驗(yàn)、出廠驗(yàn)收等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位的質(zhì)量控制方法程序， 對(duì)保證硅質(zhì)隔熱耐火磚的質(zhì)量起到了關(guān)鍵性作用， 為最終保證窯爐使用的良好性能起到了決定性作用。

（2）采用該生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制方法生產(chǎn)的硅質(zhì)隔熱耐火磚，尺寸及外觀均規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在施工時(shí)砌筑方便快捷，砌筑后質(zhì)量?jī)?yōu)良。

（3）通過(guò)對(duì)硅質(zhì)隔熱耐火磚制作工藝及質(zhì)量控制進(jìn)行解析，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用方提供了一個(gè)借鑒參考的依據(jù)。

（4）通過(guò)后期跟蹤走訪發(fā)現(xiàn)，經(jīng)監(jiān)制的使用硅質(zhì)隔熱耐火磚的窯爐34座，部分已使用13年以上，均未發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)隔熱耐火磚破損、脫落現(xiàn)象；保溫隔熱性能良好，爐況穩(wěn)定順行、運(yùn)行良好；取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。