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不烧(免烧)耐火砖的优点及未来发展

发布时间:2022-09-26 05:37:00 来源:爱游戏平台登录 作者:爱游戏登录入口

  所谓不烧耐火制品,俗称不烧砖,是根据传统耐火材料生产工艺而得名。传统的耐火材料生产工艺过程为:配料-混料-成型-干燥-烧成-成品,不烧砖顾名思义,取消了烧成工序,干燥后直接使用的耐火制品。早在1878年托马斯(S·G·Thomas)和吉尔克里斯特(D·Gilchrist)用焦油结合的白云石砖做炉衬,1913年美国麦卡利姆(Mecallim)首次制成铁壳不烧铬镁砖,20世纪初欧美国家即有不烧砖,又称化学结合砖。我国在20世纪50年代初就有不烧粘土砖问世,20世纪50年代末相继出现磷酸结合、水玻璃结合、硫酸盐结合和水泥结合的不烧砖,20世纪60年代末和20世纪70年代初,随着不定形耐火材料的发展,不烧砖得到进一步发展,20世纪80年代中期,不烧砖的研究和生产有很大进步,通过添加物和结合剂提高不烧砖的质量,并能生产各种材质的不烧砖。到目前为止,几乎所有定型耐火制品都可以做成不烧制品。例如有使用条件极为苛刻的不烧滑动水口砖,受钢水激烈冲刷和侵蚀的炼钢炉衬用不烧镁碳砖等。

  耐火材料分定型与不定型两大类,表面看不烧砖应属定型耐火材料,因为它除了不烧之外,与传统的耐火砖生产工艺没有什么区别;而从配料上使用结合剂和外加剂来看,又与不定形耐火材料相同,因此有人认为不烧砖属于不定形耐火材料范畴。

  众所周知,耐火材料是在高温条件下使用的材料,何必预先烧制。其实耐火材料烧成是为了保证制品的常温和高温结构强度,以及不同温度下的体积稳定性。按照现代耐火材料制造技术,采用合适的结合剂和添加物,不烧砖完全能够达到或超过烧成砖的技术指标。生产不烧耐火制品,资源高效利用,节能减排,保护环境,应该大力发展。

  烧成是耐火制品生产工艺过程中最繁杂的工序,要建炉窑,砖坯装窑,不烧砖出窑,主要靠手工操作,难以实现机械化、自动化。不烧砖,不用烧,没有烧成工序,不用建窑,不用燃料,劳动力减少,成本降低,没有装窑、烧制过程,也没有出窑的废品,不烧砖比烧成砖的生产成本低很多。烧成砖装窑时往往有大量砖坯碰损而报废,出窑时一方面发现烧制过程产生砖的裂纹、熔洞等废品,另一方面出窑过程中会碰破边角产生废品。不烧砖没有这一过程,成品率得到提高。例如上海某厂生产塞头砖,烧成时易产生裂纹等废品,成品率20%左右,后来改为不烧制品,成品在90%以上。

  耐火制品的烧成温度都在1000℃以上,烧窑耗费大量燃料,烧煤时,排出黑色烟气,污染环境。改用煤气或重油,表面看污染少了,实际上还是有大量CO₂气体排到大气中。不烧砖,不烧窑,自然节能减排。特别是不烧镁橄榄石砖,因镁橄榄石灼减低于5%(有人利用灼减9%),利用原矿作颗粒,镁砂为细粉,加入适量添加剂,可制得性能良好的不烧镁橄榄石制品。还有不烧红柱石砖、不烧叶蜡石砖等,其用原料不烧,制品也不烧,简化了工艺,节约了大量能源,保护了环境。

  众所周知,介面复合制品和梯度制品是由两种或两种以上物理化学性质不同的物质分层叠加在一起,组分材料始终作为独立形态的单一材料存在,没有明显的化学变化,而复合耐火制品或梯度耐火制品都成为一块整体。只要选择合适的结合剂,不烧制品容易将不同材质、不同结构和热性能的材料结合起来。如果烧成的话,由于不同材料的热膨胀系数及高温线变化的差异,在热应力的作用下,制品界面处容易产生裂纹和损坏。

  到目前为止,已有大量不烧复合及梯度制品应用于生产实践,取得良好的效果。例如:烧水泥熟料的回转窑用高铝复合砖,既一端是重质的工作层,另一端是轻质的隔热层,某厂用复合砖的理化性能指标如表1。

  这种复合砖在回转窑过渡带使用寿命1~5年,窑壳温度降低80~120℃。还有一些烧白云石及石灰的回转窑,在煅烧带也用类似的复合砖,节能降耗,提高使用寿命。

  有些钢厂使用不烧复合滑板砖,一般采用二层复合,其工作面以板状刚玉为主(80%~90%),添加金属铝粉、碳素等;而非工作面是以高铝熟料、粘土、碳素等配料,二者复合,降低了成本,提高了使用效果。用同样的方法生产的还有镁碳砖等。

  功能耐火材料是连铸运行的重要支撑材料,由于使用环境受到多因素影响及非均衡蚀损特点,严重影响功能耐火材料使用的安全性和使用寿命,通过梯度结构设计,进行优化组成,采用不同梯度材料进行复合,从而解决长水口及浸入式水口热震稳定性与抗侵蚀性、抗冲刷能力之间的矛盾。同时在材料改性方面,加入特殊的添加剂,显著提高了铝碳质和锆碳质水口的使用效果。

  一般不烧制品采用多级颗粒配料,选用适当的有机与无机结合剂、添加剂,其制品的体积密度、气孔率、抗侵蚀性和抗渗透性等普遍好于烧成制品。特别是不烧砖借助使用环境中的热能达到适当烧结,形成具有梯度特征的结构,以及主体材料与添加物热膨胀系数不一致的特性,使不烧砖在使用条件下产生足够多的微细裂纹,且裂纹以准静态方式扩展,从而提高不烧砖的热震稳定性,例如某厂炼钢电炉顶用不烧含石墨高荷软高铝砖与长期使用的烧成高铝砖性能如表2。不烧砖的使用寿命比烧成砖提高1倍,由于热震性好,使用中不掉块。

  段小东等研究铁水包用的酚醛树脂结合Al₂O₃-SiC-C不烧砖,其性能高于当时生产用的高铝砖,见表3。

  提高不烧砖的性能,要从结合剂和添加剂着手,如用磷酸结合的不烧高铝砖荷重软化温度1390℃,而用六偏磷酸钠结合的为1520℃。也可以在配料中加入具有膨胀性的物质,如兰晶石等来提高砖的荷重软化温度。

  大量数据及实际事实证明不烧砖的使用效果好于烧成砖,特别是钢包衬砖,目前使用较多的是用不定形耐火材料整体浇注,虽然抗热震性好,使用寿命高,但需要现场有混料机及筑炉设备,并要控制干燥和预热过程;如果用浇注的预制块,成型模具多,生产周期长,成本高。而用不烧砖,对生产部门和使用部门来说,生产工艺相对简单,而且产品质量容易得到保证,像不烧铝镁尖晶石砖在钢包上的使用寿命与浇注料也没有多大差别。有的场合不烧砖使用效果明显好于烧成砖,例如本溪水泥厂在φ3.7×70m水泥回转窑烧成带9m长的一段中,以窑径分半镶砌不烧和烧成镁铬砖作对比,用交错法砌,使用178d后,不烧砖厚100~110mm,烧成砖厚65~70mm,不烧砖具有优良的挂窑皮,抗侵蚀、抗热震等优点。四川某水泥厂统计得出:回转窑不烧镁铬砖使用寿命217.5~284.5d,使用烧成砖寿命66~149d。还有四川某钢厂的40t连铸中间包衬,使用一般高铝砖寿命40炉次,一等高铝砖寿命100炉次,而用高铝尖晶石不烧砖寿命150炉次。某铁合金厂9MVA锰硅合金电炉的铁水包内衬,使用粘土砖寿命20~50次,高铝砖寿命70~100次,而用Al₂O₃-SiC-C不烧砖寿命400次,等等。不烧砖使用效果好的实例很多,不一一赘述。

  起初只是采用天然耐火原料与具有气硬性,或火硬性,或水硬性结合剂混合,制取化学结合的不烧砖,如不烧粘土砖、不烧高铝砖、不烧镁砖等。现在可以用所有耐火原料制取各种品种和不同用途的不烧砖,如不烧镁碳砖、不烧镁钙砖、不烧镁白云石砖、不烧镁铝尖晶石砖、不烧镁锆砖、不烧镁铬砖、不烧刚玉砖、不烧高铝尖晶石砖、不烧红柱石砖、不烧叶蜡石砖、不烧刚玉尖晶石砖、不烧镁橄榄石砖、不烧漂珠隔热砖、不烧Al₂O₃-SiC-C砖、不烧MgO-SiC-C砖、不烧复合铝镁砖、不烧铁壳镁铝砖、不烧铁壳镁铬砖、不烧粉煤灰隔热砖等。可以说耐火制品(砖)的所有品种都能做出相应的不烧制品(砖)。

  与烧成制品相比,不烧制品的热震稳定性较好,但强度偏低。为此,研究人员从结合剂及添加剂方面入手,做了大量试验研究。如陈龙等人研究无碳铝镁尖晶石不烧砖,采用刚玉、α-Al₂O₃微粉、尖晶石、电熔镁砂等主要原料,用不同结合剂,不烧砖的性能如表4。

  从表4看出,硅溶胶+卤水结合的不烧砖强度较高,超过一般烧成制品。朱士本研究不同结合剂的Al₂O₃-SiC-C不烧砖,做为铁水包内衬的使用结果如表5。

  不烧滑板砖是近年出现的新型滑板,主要是铝碳材料,加入适量金属粉、酚醛树脂结合剂,不用烧成和油浸工序,工艺简单。通过加入有机硅树脂,提高中、低温强度,使用次数增加。如某单位将刚玉颗粒和细粉、Al₂O₃微粉、炭黑等,与结合剂混合—成型—干燥—套箍—磨制—粘垫—成品,其滑板的显气孔率9.6%,体积密度2.98g/cm³,常温耐压强度125MPa,(1400℃埋炭)高温抗折强度43.7MPa,在120t钢包使用连滑2.3次,而一般生产用烧成滑板连滑1.5次,可见不烧滑板好于烧成滑板。有些结合剂虽然有一定的粘结作用,但会给制品带来杂质成分,降低耐火性能。因此有人研究新的结合剂,如李有胜等用氯氧镁水泥结合铝镁质无碳不烧砖,在高温下低熔相减少,尖晶石生成量增多。朱森森用凝胶粉结合铝镁不烧砖,唐宁用铝酸镁结合MgO-Al₂O₃不烧钢包砖,其结合剂成分与砖的主成分一致,可提高制品的耐火性能及高温强度,降低熔渣的侵蚀。为了提高制品性能,还有人采用多种结合剂复合使用,既加有机和无机结合剂,又加超微粉,实现粘着结合与缩聚,凝聚等多种结合。目前,北京、上海、辽宁等地的一些化工企业,研究利用无机纳米材料,经缩聚反应制取耐高温胶泥粘合剂,以及改性溶液,耐高温2000℃以上,无疑对不烧耐火制品的发展提供了先决条件。

  利用添加物来改善或提高不烧耐火制品的性能也是有效的办法之一。例如,罗旭东等研究用电熔镁砂骨料、高纯镁砂细粉,以及α-Al₂O₃和Cr₂O₃微粉,磷酸盐结合剂配料的镁铝铬不烧砖,引入ZrO₂使砖的线膨胀率增大趋势逐渐减弱,ZrO₂加入量增多,而膨胀率减小,ZrO₂细粉6%时,砖的热震稳定性最好。赵继忠研究了添加物对磷酸盐结合高铝不烧砖性能的影响,结果见表6(添加物0.088,0.044mm)。还研究了添加Cr₂O₃10%的不烧铝镁砖,其抗蚀性和抗渗透性提高。高铝不烧砖中加入兰晶石等膨胀剂,可提高砖的荷重软化温度等。

  在我国不烧砖的使用范围迅速扩大,在消耗耐火材料最多的钢铁行业,凡是用烧成砖的热工设备大都改用不烧制品。例如:包钢炼铁高炉内衬由碳砖改为不烧铝碳砖,铁水包用不烧Al₂O₃-SiC-C砖。不烧红柱石砖砌铁水包易磨损部位。几乎所有炼钢炉衬用不烧镁碳砖,钢包衬用不烧铝镁砖或铝镁碳砖(有些钢包用铝镁浇注料),RH炉下部槽用不烧方镁石-尖晶石砖,钢水真空处理装置用不烧镁碳砖,连铸用不烧滑动水口,不烧滑板,不烧长水口,反射炉用高铝-碳化硅不烧砖等。

  其次烧水泥熟料的回转窑很早就用不烧高铝砖、不烧镁铬砖。烧白云石或活性石灰的回转窑用镁铝尖晶石不烧砖,玻璃熔窑格子房用不烧镁橄石砖,石油化工、电力、机械等行业用不烧轻质隔热砖等。

  特别值得推荐的是铝电解槽用Si₃N₄结合SiC制品,烧成制品工艺复杂,成本高。李磊研究用不同粒度的碳化硅、酚醛树脂结合,Si₃N₄-AlN-Al复合粉体为基质的不烧制品,代替Si₃N₄结合SiC制品。不烧制品用硅溶胶浸渍后,微观组织均匀,抗冰晶石及铝液侵蚀与烧成Sialon结合SiC砖相当,其抗氧化优于Si₃N₄结合SiC烧成制品。

  以上很多重要部位,使用条件苛刻,都可以使用不烧砖。因此,经过认真研究,运用现代技术,不烧砖完全能取代烧成制品。

  (1)不烧砖简化生产工艺,生产周期短,劳动用工少,原烧成工序所需的燃料、电力、人力、设备都节省下来,生产成本和设备投资大幅度降低。且节能减排,保护环境。

  (2)所有的耐火原料都可以制取不烧制品,凡是用烧成砖的热工设备都可以用不烧砖代替。用不烧砖有问题的设备或部位,应加强研究,找出问题的根源,从不烧砖的结合剂和添加剂入手,提高不烧砖质量、适应使用条件,不烧砖应该能够取代烧成砖。

  (3)耐火材料行业应该取消炉窑等烧成设备,产品主要是不定耐火材料和不烧砖。