CN101343190B

CN101343190B - 大型高炉热风炉用硅线石砖及其生产方法

Info

Publication number: CN101343190B
Application number: CN2008101411246A
Authority: CN
Inventors: 林彬荫; 李明欢; 赵永安; 何晓静; 校松波; 张新玉; 张媛
Original assignee: Gongyi City No5 Fire-Retardant Material General Factory; Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: CN101343190A

Abstract

本发明公开了一种大型高炉热风炉用硅线石砖及其生产方法，该硅线石砖原料中含有莫来石30～60％，硅线石或/和红柱石30～60％，共磨粉10～40％，另外加入占上述原料总重2～5％的结合剂。该砖的生产方法包括混碾，困料、成型、干燥和烧成工艺，砖坯在1480～1520℃的温度下，保温8～12小时烧成，自然冷却后出窑。本发明的硅线石砖的蠕变率在1450℃、50h的条件下仅为0.179％、耐压强度达到76.2Mpa，产品寿命长，完全可以满足高炉热风炉用硅线石砖的性能要求，超过了国内和进口的同类产品性能，结束了该产品一直从国外进口的历史。

Description

大型高炉热风炉用硅线石砖及其生产方法

一、技术领域：

本发明涉及耐火材料领域，特别是涉及一种大型高炉热风炉用硅线石砖及其生产方法。

二、背景技术：

目前，国内热风炉用耐火材料的主要形式有：(1)硅砖-高铝砖-粘土砖；(2)低蠕变高铝砖(莫来石砖)-高铝砖-粘土砖；(3)硅砖-低蠕变砖-高铝砖-粘土砖。不论采用哪种形式，其高温部位的材料是热风炉选材的关键。综合起来就是两类关键材质的材料：硅砖和低蠕变砖。当热风温度在1100～1200℃时，一般选用高铝砖、莫来石砖和硅砖作炉衬或格子砖；当热风温度在高于1200℃时，高铝砖不能满足要求，热风炉顶和隔墙及蓄热室上部需用硅砖，在硅砖层下部应用低蠕变砖。

硅砖在1500～1550℃时抗蠕变性能好，在高温段的热震稳定性好。因为这两个突出的特性，目前硅砖仍然被广泛用于热风炉的高温部位，如热风炉的拱顶、燃烧室和蓄热室上部。但硅砖也有不足之处：低温时体积稳定性差，在0～600℃之间会出现较大的体积变化；低温下抗热震稳定性差，极易开裂；硅砖密度低、热容小，作格子砖使用时，其蓄热量不大。

低蠕变砖的抗蠕变性能，主要取决于形成的莫来石结构或刚玉莫来石镶嵌结构，从另一个角度说就是受杂质(Fe₂O₃、TiO₂、K₂O和Na₂O)的影响极大。当有这些杂质存在时，一方面会分解主晶相并形成玻璃相，另一方面会增大晶体间的滑移。杂质的含量是否足以破坏这种完整的莫来石结构，决定了材料的抗蠕变性能。这种材料生产的关键就在于对杂质的控制。我国目前的低蠕变砖大多采用刚玉、矾土或莫来石作主要原料，添加三石材料而制成。如果采用天然原料制备的刚玉、莫来石以及矾土，则带入的杂质比较高，制品的抗蠕变性不会特别好；如果采用高纯原料合成的刚玉或莫来石，则材料的性能较好，但材料的成本会大幅度提高。也正是由于所用的这些原材料质量的良莠不齐，造成我国生产的这类制品在质量上相互差距较大。

上世纪八十年代，我国上海宝钢建成的大型一号高炉，容积达4063m³，该高炉所用的耐材是从国外引进的，并非国产化。其中所用的高炉热风炉用硅线石砖的性能见下表，

表1宝钢4063m³高炉热风炉用硅线石砖[H23]的技术要求

项目

耐火度℃

体积密度g/cm³

显气孔率％

耐压强度MPa

蠕变率(0.2MPa，50h)％

Al₂O₃％

使用部位

H23

≥1850

≥2.45(≥2.40)

≤19(≤22)

≥49(≥39.2)

1450℃≤1.0

≥65

混和室壁、蓄热室中部

上表中括号内的数据为手工制品的指标要求。从上表可见，牌号[H23]的硅线石砖，最核心的性能指标是抗蠕变性。高温抗蠕变性是指耐材在恒温恒压下，材料的变形与时间的关系。一座高炉有数座热风炉相配套，而每座热风炉高度、砖种、砖量、燃气、风温等参数在设计时已确定，也就是说，耐材是在恒温恒压下工作，如果长时间使用，耐材不变形或变形甚小，则预示耐材质量上佳，热风炉寿命长。显然，耐材的高温蠕变性对热风炉来说十分重要。

国外的热风炉材料除了要求体积密度、抗热震性和强度等性能外，对抗蠕变性也特别重视，在高温部位一般多使用硅砖、莫来石砖或红柱石砖。炉体材料总体上是由高铝砖向莫来石砖、优质硅砖、硅线石砖和红柱石砖的方向发展。其中的红柱石耐火材料在热风炉上得到了较好的推广，但是目前国内外大部分厂家多是在材料中添加少量红柱石，以高铝矾土为主原料，使得制品的性能下降，无法满足热风炉长寿命的要求。

为改变大型高炉热风炉所用耐材需要从国外进口的局面，必须依靠自主创新，生产出性能更好的耐材产品。

三、发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种蠕变率低、耐压强度高、使用寿命更长的硅线石砖及该砖的生产方法。

本发明的技术方案是：

一种大型高炉热风炉用硅线石砖，以重量百分比计，原料中含有莫来石30～60％，硅线石或/和红柱石30～60％，共磨粉10～40％，另外加入占上述原料总重2～5％的结合剂。

所述的硅线石砖，其中莫来石30～50％，硅线石或/和红柱石30～50％，共磨粉10～30％。

所述的硅线石砖，其中莫来石35～45％，硅线石或/和红柱石35～45％，共磨粉15～30％。

所述莫来石为粒度3～1mm的a-Al₂O₃基莫来石，所述硅线石或/和红柱石为粒度小于0.5mm的高纯硅线石，所述结合剂为密度1.22～1.25g/cm³的木质素水溶液。

所述共磨粉组成为，以重量百分比计，刚玉粉20～30％，红柱石粉20～30％，氧化锆或锆英砂5～20％；a-Al₂O₃微粉25～40％，结合粘土15～30％。

所述刚玉粉的粒度≤280目，红柱石粉≤200目，氧化锆或锆英砂≤325目，a-Al₂O₃微粉≤625目，结合粘土≤180目；所述刚玉粉为白刚玉、致密刚玉或烧结板状刚玉。

一种硅线石砖的生产方法，包括混料、成型、干燥和烧制工艺，其具体步骤为：

(1)混碾：按原料重量百分比组成称料，先将莫来石和结合剂混碾，然后加入硅线石混碾，再加入共磨粉混碾，得到混合料；

(2)困料：将混和料困料24小时以上，成型时再回碾3～5分钟即可使用；

(3)成型：将料压制成砖坯，然后干燥，使砖坯含水量≤0.5％；

(4)烧成：砖坯在1480～1520℃的温度下，保温8～12小时烧成，自然冷却48～56小时后出窑。

所述烧成是采用高温隧道窑烧成，干燥时利用高温隧道窑冷却带的余热在110～200℃下干燥。

所述莫来石和结合剂混碾时间为2～4分钟，加入硅线石混碾时间为2～4分钟，再加入共磨粉混碾时间为5～10分钟。

本发明在选择主要矿物原料时，考虑到以下几点：

1、在Al₂O₃-SiO₂系相图中，刚玉、莫来石是两个重要的矿物，熔点分别为2050℃、1870℃，共熔温度1840℃；莫氏硬度9.6，电熔刚玉、莫来石晶体发育粗大；莫来石晶体还具有交错的网络结构；刚玉、莫来石如果是a-Al₂O₃基电熔而成，不但晶体发育，杂质TiO₂、Fe₂O₃、K₂O和Na₂O会更少。

2、在Al₂O₃-SiO₂系相图中，尚有一类不稳定的矿物：硅线石、红柱石、蓝晶石族矿物，化学成分为：Al₂O₃62.97％；SiO₂37.03％，其主要特点：

(1)随温度升高相变为莫来石

(2)伴随相变有体积膨胀，化学反应式为：

3(Al₂O₃.SiO₂)→3Al₂O₃.2SiO₂+SiO₂

硅线石、红柱石、蓝晶石莫来石

Al₂O₃62.97％；SiO₂37.03％ 87.64％ 12.36％ ΔV＝+

(3)总杂质小(Fe₂O₃+TiO₂+K₂O+Na₂O)约2.5％，是矾土杂料(杂质～7％)的1/3左右。

莫来石，主要做骨料。硅线石主要以基质形式出现。在适当的温度下，硅线石相变为莫来石，分解出的SiO₂与含Al₂O₃高的物料反应生成二次莫来石。

3(Al₂O₃.SiO₂)→3Al₂O₃.SiO₂+SiO₂

硅线石莫来石

2SiO₂+3Al₂O₃→3(Al₂O₃.SiO₂)

莫来石(二次)

莫来石中Al₂O₃/SiO₂理论比值为2.55。

由于在基质中硅线石(或红柱石、硅线石+红柱石)莫来石化，增加了材料的莫来石含量与莫来石良好的显微结构，强化了基质，有利于材料高温性能的提高与改善。

3、砖的添加物有2～3种，如高铝矿物原料、氧化铝原料等，它是基质充分莫来石化的必要条件。添加物的种类、含量亦是关键。

本发明的积极有益效果：

1.本发明的大型高炉热风炉用硅线石砖通过调整莫来石、硅线石或/和红柱石的比例，添加氧化锆(或锆英砂)和a-Al₂O₃微粉，有效改善和提高了Al₂O₃-SiO₂系砖的品质，有利于砖的高温性能的提高与改善，其性能指标如蠕变率在1450℃、50h的条件下仅为0.179％、耐压强度达到76.2Mpa，完全可以满足并超过宝钢4063m³高炉热风炉用硅线石砖的性能要求(参见表1)，超过了国内同类和进口的产品性能，具体比较见下表2。

表2本发明的硅线石砖(H23)的理化指标和日本同类产品比较

项目

体积密度g/cm³

显气孔率％

耐压强度MPa

蠕变率％0.2Mpa、50h，1450℃

耐火度℃

Al₂O₃％

Fe₂O₃％

日本砖

≥2.45(2.40)

≤19(22)

49

≤1.0

≥1850

≥65

≤2.0

本发明砖

2.61

18

76.2

0.179

＞1790

65.17

1.04

2.本发明的硅线石砖在武钢5BF的试用实践表明，该砖性能良好。

武钢5BF为3200m³高炉热风炉，内燃式。热风炉高度49.54m，工作压力0.45Mpa，设计热风温度1250℃，拱顶允许温度1450℃，废气温度350℃，高炉热风炉直径10800mm，燃烧室断面积11.3m²，蓄热室断面积52.9m²，格子砖室高度35.8m，格孔直径

43mm。

本发明的硅线石砖，于1990年～2007年在武钢5^#高炉试用。2007年6月停炉后考察并取样，考察并取样的硅线石砖使用部位与工作温度见下表：

表3硅线石砖[H23]在武钢5^#炉考察与取样部位的工作温度

对5BF1^#热风炉上部第一、四、六层格子砖取样测量，孔径和厚度基本同原设计要求，即

43mm，H＝100±2mm。格子砖厚度测量数据如下表4：

表4H23格子砖使用16年后厚度变化(mm)

原厚度	一层	四层	六层
				100±2	100.2 100.3 100.2100 99.8	100.1 100 100100 100	100.1 100.2 99.899.9 100.1

经专家认定，该砖经过16～17年的实践检验，证明该硅线石砖基本没有变化，结构变化很小，已达到原设计要求。热风炉内部耐材基本完好，格子砖变化很少，推算热风炉仍可继续使用5～10年。

本发明的产品在武钢的成功连续使用表明，该砖抗高温蠕变性、耐压强度等方面性能优良，产品寿命长，产品性能处于国内外领先水平，结束了此类产品从国外进口的历史。

3.本发明在国内首先大量使用了硅线石、红柱石资源，带动了相关企业的发展。硅线石、红柱石等矿物不经预烧就可以使用，属于节约型原料，它们的推广应用节约了能源，利国利民；同时，减少了铝矾土的资源使用量。

四、具体实施方式：

实施例1：大型高炉热风炉用硅线石砖及其生产方法

硅线石砖的原料为：以重量百分比计，粒度3～1mm的a-Al₂O₃基莫来石40％，粒度小于0.5mm的高纯硅线石45％，共磨粉15％；另外加入密度1.23g/cm³的木质素水溶液作为结合剂，加入量占上述原料总重量的3％。

其中共磨粉的组成为：以重量百分比计，粒度≤280目的刚玉粉25％，粒度≤200目的红柱石粉25％，粒度≤325目氧化锆10％；粒度≤625目的a-Al₂O₃微粉20％，粒度≤180目的结合粘土20％。

本例中a-Al₂O₃基莫来石，选用表5中的梅河口的电熔莫来石，硅线石选表6鸡西未酸洗的硅线石，红柱石选用表7中的红柱石1^#。

表5a-Al₂O₃基莫来石的化学成分(重量百分比，％)

表6鸡西硅线石化学成分(重量百分比，％)

表6中鸡西硅线石化学成分，除Al₂O₃为大于等于相应的数值外，其他成分均为小于等于相应的数值。

其他原料的理化指标见下表7：(其中的数值为重量百分比，％)

该硅线石砖的生产方法，具体工艺过程为：

(1)混碾：按原料重量百分比组成称料，将莫来石和木质素混碾2～4分钟，然后加入硅线石混碾2～4分钟，再加入共磨粉混碾5～10分钟，得到混合料；

(2)困料：将混和料困料30小时，成型时再回碾3～5分钟即可使用；

(3)成型：将料压制成砖坯，然后利用高温隧道窑冷却带的余热在110～200℃下干燥，使砖坯含水量≤0.5％；

(4)烧成：将砖坯装入高温隧道窑中，在1500℃的温度下，保温8小时烧成，自然冷却54小时后出窑，得到成品。

实施例2：大型高炉热风炉用硅线石砖及其生产方法

硅线石砖的原料为：以重量百分比计，粒度3～1mm的a-Al₂O₃基莫来石35％，粒度小于0.5mm的高纯硅线石55％，共磨粉10％；另外加入密度1.22g/cm³的木质素水溶液，加入量占上述原料总重量的3％。

其中共磨粉的组成为：以重量百分比计，粒度≤280目的白刚玉粉23％，粒度≤200目的红柱石粉22％，粒度≤325目氧化锆6％；粒度≤625目的a-Al₂O₃微粉29％，粒度≤180目的结合粘土20％。

本例中a-Al₂O₃基莫来石选用表5中的梅河口的电熔莫来石，硅线石选表6中酸洗的硅线石，红柱石粉选用表7中的红柱石1^#。

生产方法和实施例1基本相同，不同之处在于：

将混和料困料36小时，烧成时将砖坯装入高温隧道窑中，在1490℃的温度下，保温10小时烧成，自然冷却50小时后出窑。

实施例3：和实施例1基本相同，不同之处在于：

硅线石砖的原料为：a-Al₂O₃基莫来石40％，高纯硅线石40％，共磨粉20％；另外加入密度1.24g/cm³的木质素水溶液，加入量占上述原料总重量的5％。

其中共磨粉的组成为：刚玉粉20％，红柱石粉25％，氧化锆10％；a-Al₂O₃微粉25％，结合粘土20％。各原料的粒度要求同实施例1，不再重述。

本例中a-Al₂O₃基莫来石选用表5中的梅河口的电熔莫来石和江都产的烧结莫来石a，二者比例为3∶1，硅线石选表6中未酸洗的硅线石，红柱石粉选用表7中的红柱石2^#。

生产方法和实施例1基本相同，不同之处在于：

将混和料困料48小时，烧成时将砖坯装入高温隧道窑中，在1520℃的温度下，保温8小时烧成，自然冷却56小时后出窑。

实施例4：和实施例1基本相同，不同之处在于：

硅线石砖的原料为：a-Al₂O₃基莫来石50％，高纯硅线石35％，共磨粉15％；另外加入密度1.25g/cm³的木质素水溶液，加入量占上述原料总重量的4％。

其中共磨粉的组成为，烧结板状刚玉粉20％，红柱石粉25％，氧化锆10％；a-Al₂O₃微粉25％，结合粘土20％。各原料的粒度同实施例1，不再重述。

本例中a-Al₂O₃基莫来石选用表5中的梅河口的电熔莫来石和江都产的烧结莫来石b，二者比例为2∶1，硅线石选表6中未酸洗的硅线石，红柱石粉选用表7中的红柱石2^#。

生产方法和实施例1基本相同，不同之处在于：

将混和料困料48小时，烧成时将砖坯装入高温隧道窑中，在1520℃的温度下，保温8小时烧成，自然冷却时间为56小时后出窑。

实施例5：和实施例1基本相同，不同之处在于：

硅线石砖原料为：a-Al₂O₃基莫来石40％，红柱石40％，共磨粉20％；另外加入密度1.24g/cm³的木质素水溶液，加入量占上述原料总重量的5％。其中共磨粉的组成为，致密刚玉粉20％，红柱石粉25％，锆英砂10％；a-Al₂O₃微粉25％，结合粘土20％。各原料粒度同实施例1，不再重述。

本例中a-Al₂O₃基莫来石选用表5中的梅河口的电熔莫来石和江都产的烧结莫来石a，二者比例为1∶1，硅线石选表6中未酸洗的硅线石。红柱石和红柱石粉选用表7中的红柱石1^#。

生产方法和实施例1基本相同，不同之处在于：

将混和料困料60小时，烧成时将砖坯装入高温隧道窑中，在1510℃的温度下，保温9小时烧成，自然冷却50小时后出窑。

实施例6～20：各原料重量百分比配比见表8，各原料粒度要求及生产方法同实施例1，不再重述。

实施例21～35：各原料重量百分比配比见表9，各原料粒度要求及生产方法同实施例2，不再重述。

表8：实施例6～20中各原料的重量百分比配比

表9：实施例21～35中各原料的重量百分比配比

Claims

1.一种大型高炉热风炉用硅线石或/和红柱石砖，其特征是：以重量百分比计，原料中含有莫来石30～60％，硅线石或/和红柱石30～60％，共磨粉10～40％，另外加入占上述原料总重2～5％的结合剂；所述共磨粉组成为，以重量百分比计，刚玉粉20～30％，红柱石粉20～30％，氧化锆或锆英砂5～20％；α-Al₂O₃微粉25～40％，结合粘土15～30％。

2.根据权利要求1所述的硅线石或/和红柱石砖，其特征是：其中莫来石30～50％，硅线石或/和红柱石30～50％，共磨粉10～30％。

3.根据权利要求1所述的硅线石砖，其特征是：其中莫来石35～45％，硅线石或/和红柱石35～45％，共磨粉15～30％。

4.根据权利要求1或2或3所述的硅线石或/和红柱石砖，其特征是：所述莫来石为粒度3～1mm的α-Al2O3基莫来石，所述硅线石或/和红柱石为粒度小于0.5mm的高纯硅线石，所述结合剂为密度1.22～1.25g/cm³的木质素水溶液。

5.根据权利要求1所述的硅线石或/和红柱石砖，其特征是：所述刚玉粉的粒度≤280目，红柱石粉≤200目，氧化锆或锆英砂≤325目，α-Al2O3微粉≤625目，结合粘土≤180目。

6.根据权利要求4所述的硅线石或/和红柱石砖，其特征是：所述刚玉粉为白刚玉、致密刚玉或烧结板状刚玉。

7.一种如权利要求1中的硅线石或/和红柱石砖的生产方法，包括混料、成型、干燥和烧制工艺，其特征是：

8.根据权利要求7所述的硅线石或/和红柱石砖的生产方法，其特征是：所述烧成是采用高温隧道窑烧成，干燥时利用高温隧道窑冷却带的余热在110～200℃下干燥。

9.根据权利要求7所述的硅线石砖或/和红柱石的生产方法，其特征是：所述莫来石和结合剂混碾时间为2～4分钟，加入硅线石混碾时间为2～4分钟，再加入共磨粉混碾时间为5～10分钟。