硅质隔热耐火砖制作工艺及质量控制程序和方法

刘登山，王 奎，喻玉玺

（1.大冶特殊钢有限公司，湖北 黄石 435001；2.中冶武汉冶金建筑研究院有限公司，湖北 武汉 430081）

硅质隔热耐火砖是指SiO2含量在91%以上，体积密度小于1.2 g/cm3的隔热制品。 因其具有体积密度低和荷重软化开始点温度高， 在受热过程中体积略有膨胀，使窑炉的整体性增强等特点，广泛应用于高炉热风炉、 玻璃窑炉、 焦炉以及加热炉等各种窑炉中，主要作为隔热材料使用，特别是在以硅砖为内衬时应用最为广泛[1-2]。 窑炉隔热砖的选择通常根据工作层所砌耐火砖的种类来决定， 当工作层用硅砖砌筑时，则硅砖背面应砌筑硅质隔热耐火砖[3]。 其目的主要用来提高窑炉的工作效率和降低热耗及减轻自身重量等，对窑炉的节约能耗、降低成本等具有重要意义［4］。 鉴于硅质隔热耐火砖在窑炉内的重要性，对硅质隔热耐火砖的质量性能提出了更高的要求。 劣质耐火材料的使用严重影响了窑炉的使用寿命，甚至出现炉温升高，炉况恶化等恶性后果，为了减少和避免上述事件的发生，实现窑炉的长寿、低耗，对硅质隔热耐火砖的质量控制显得更为重要。

1 原料质量控制

1.1 主要原料

硅质隔热耐火砖通常采用烧尽物加入法或泡沫法制得［5］。 烧尽物加入法工艺简单，成本低廉，且产品保温性较好，硅质隔热耐火砖通常采用此法生产。硅质隔热耐火砖以细碎的硅石作骨料、 硅石粉及废硅砖粉为主要原料， 在配料中加入焦炭粉和漂珠粉等作赋孔材料， 引入石灰乳等做矿化剂以促进石英的转化。 对于硅质隔热耐火砖制品的理化指标要求不同，原料配比就有所不同。常用硅质隔热耐火砖主要原料及矿化剂见表1。

表1 主要原料及矿化剂

1.2 主要原料简介

硅石也称石英岩，主要矿物是石英SiO2，其他成分均为杂质。 硅石是硅质耐火材料主要原料，常分为结晶硅石（再结晶石英岩）和胶结硅石（胶结石英岩）。优质的硅石呈致密块状， 有的有贝壳状或鳞片状断面， 没有明显的层状结构， 在层与层之间没有夹杂物，并且不带石灰石外壳。 其颜色取决于杂质，通常铁质化合物使硅石呈红褐色， 有机物杂质则使硅石带灰色、黑色等［6］。

1.3 主要原料取样方法及取样量

首先对原料进行粒度分级， 确定需要检验的材料数量，按照相关标准要求进行分批；其次确定分批的批数及取样量； 然后按规格抽取样品量并合并成大样；最后再按照“四分法”的规定分别缩分成试验室样品。 主要原料硅石的取样批次参照YB/T 5268-2014执行， 取样方法及取样量参照GB/T 4513.2-2017执行。 具体主要原料取样方法及取样量见表2。

表2 主要原料取样方法及取样量

1.4 主要原料性能指标

主要原料性能指标检测参照YB/T 5268-2014等进行。 具体性能指标见表3。

表3 主要原料性能指标 (w%)

制品的使用条件、 技术要求和原料的特性是选择原料和配比的重要依据， 在试验配方时必须根据原料的不同特性和对制品的要求来选择原料。 在厂方组织生产时对进厂使用原料分类分批进行检查并抽样，进行常规指标的检验，只有检验合格方可进行下一步工序的生产。

2 生产工艺及生产过程控制

2.1 生产工艺简图

常用硅质隔热耐火砖生产工艺如图1所示。

图1 硅质隔热砖生产工艺简图

2.2 生产工艺控制

2.2.1 原料级配选择及性能要求

硅质隔热耐火砖生产的主要原料硅石在使用前需检选，并按粒度分级以备使用。合理的颗粒级配对保证其高荷软、 低导热系数及烧后成品率起着关键性的作用。 由于硅石原料的固有特性，颗粒在混炼、成型过程中会破碎， 烧成过程中由于相变会造成颗粒的膨胀与开裂。

通过对上述因素的分析和在生产实践中的经验积累， 以及所遵循的紧密堆积原则等条件与影响因素的综合考虑， 硅质隔热耐火砖生产中的最大颗粒尺寸一般不得大于3 mm，且小于0.088 mm细粉量最少不得低于35%(w)。 合理的颗粒组成对提高制品的质量具有十分重要的作用。若混合料中粗颗粒过多，难以保证制品表面的平滑及棱角的完整； 若混合料中细粉量过多，则会造成成型困难，容易发生层裂及烧成裂纹等质量缺陷［7］。

粗细两种颗粒的配比量及性质对硅质隔热耐火砖在烧成过程中的烧结与松散及开裂有很大影响。粗颗粒在砖体中形成坯体骨架，起支撑作用，对提高荷软具有较大作用。但粗颗粒晶相转变时间长，往往发生在细颗粒晶相转变和坯体开始烧结之后， 所以粗颗粒的晶相转变产生的体积膨胀是坯体趋于松散以致开裂的重要原因，且粗颗粒越多，坯体开始剧烈膨胀温度就越低，烧成时坯体开裂的趋势就越大。同粗颗粒相反，细粉多处于粗颗粒堆积的空隙处。由于细粉的比表面积大， 与矿化剂作用时在较低温度下就形成液相并达到烧结， 且小于0.088 mm的细粉是促进烧结最具活力的部分之一。 细粉所形成液相的出现能缓冲部分膨胀造成的应力， 同时细粉在强烈鳞石英化时所形成的结晶网能大大提高砖坯的强度并减少裂纹的形成［8］。

硅质隔热耐火砖的生产原料要求纯净， 杂质分布均匀，不能局部集中，否则易使砖坯烧成时产生熔洞或熔疤， 在使用时有害物质易从此处侵蚀深入砖体内部， 造成损坏。 硅质隔热耐火砖烧成时， 由于SiO2不能由石英直接转化为鳞石英，为了控制SiO2晶型的转变，获得大量的鳞石英，通常需加入石灰乳等矿化剂。石灰乳在成型时起结合剂作用，烧成时起矿化剂作用。

在实际生产中，由于单一氧化物难以满足要求，常采用复合氧化物矿化剂——CaO+FeO矿化剂。 矿化剂在硅质隔热耐火砖烧成中形成液相， 促进SiO2晶型的转化。 适量的液相对硅质隔热耐火砖的生产非常必要， 但若液相过多则会对硅质隔热耐火砖的高温性能产生不利影响， 因此在满足晶型转化要求的前提下液相越少越好。

2.2.2 坯料混炼及成型要求

硅石的粉碎是硅质隔热耐火砖生产的第一道工序，包含破粉碎、配料及混炼等步骤，担负着为砖坯成型工序提供优质原料的任务。 原料的混炼通常是在星式混碾机或轮式混碾机等混碾设备中进行，依次按照硅石粗颗粒、硅石细颗粒、焦炭粉的顺序加入进行充分混合。主要原料混合均匀后，加入矿化剂等结合剂继续混炼。 混炼时间及加水量是主要控制参数。混炼时若原料分布不均，成型时则会造成制品密度不均， 烧成时坯体各部位膨胀收缩不均易形成裂纹。 混合后的泥料应进行灼减量测定， 一般控制在25%（w）为宜。目前生产硅质隔热耐火砖普遍采用半干法机压成型，由于坯料为可塑性低的瘠性料，因此成型时应适当增加成型压力。 成型时根据砖坯体积来决定成型压力机的吨位及打压次数， 通常采用150～300 t摩擦压力机，打压次数2～3次。

2.2.3 干燥及烧成制度

硅质隔热耐火砖的烧成设备主要为推板窑和隧道窑。 近年来为提高生产效率及响应节能环保的要求，通常采用以天然气为能源的推板窑烧成。砖坯的干燥必须缓慢且充分， 应严格按照干燥温度曲线进行，坯体的干燥残余水分应控制在0.5%（w）以下方可入窑烧成。 合理的装车制度也可减少烧成时裂纹的产生，通常采用侧卧交花的方法，异型砖装在窑车内部，标准和普通型砖装在窑车外部；砖的凸台和沟舌等易于形成裂纹的部位应向窑车里摆放， 坯体厚实的部位向窑车外摆放； 超异型等坯体强度低的应装在窑车上部［9］。 为了避免各层砖相互黏结和减少黑心，装窑砖坯的层与层之间，应撒上一层石英砂颗粒，且各砖坯之间应预留5～10 mm的缝隙，便于火焰及烟气的流通。最后，窑车顶部还应盖一层泡沫轻质砖等轻质隔热材料作保护层， 以减少和避免火焰的直接冲击。硅质隔热耐火砖烧成时要求升降温平稳，严格按照一定的速率进行，止火温度准确，以减少制品裂纹的出现，提高成品率。硅质隔热砖的烧成过程大致可分为预热、烧成和冷却三个阶段。硅质隔热耐火砖烧成曲线是根据坯体在加热过程中的相变和体积变化的大小及矿化剂对烧成的影响等特性来确定的。 常用硅质隔热耐火砖烧成曲线见图2［10］。

图2 常用硅质隔热耐火砖烧成曲线图

由于硅质隔热耐火砖的烧成较其他隔热砖对升降温速率敏感得多，为保证产品质量及提高成品率，在生产过程中应严格按照升温制度和曲线对制品进行烧成和冷却。

2.2.4 晶型转变分析

硅质隔热耐火砖生产的关键是根据其性能的要求，控制鳞石英、方石英、残余石英及玻璃相的含量。晶型转变伴随一定的体积变化并产生膨胀收缩应力。 为了得到合理的晶相组成且又因相变应力而导致砖体破坏，了解和掌握各种晶型的转换条件，以及矿化剂对其晶型转化的影响等情况， 对硅质隔热耐火砖的生产、 加工和使用均具有重要意义。 具体的SiO2各种晶型转化情况见图3［11］。

图3 SiO2晶型转化示意图

通常SiO2各变体间的转换分为两类： 第一类是低温型转变，即石英、鳞石英、方石英本身的α、β、γ型的转变，即图3中垂直方向的转变；第二类是高温型转变，即石英、鳞石英、方石英之间的转变，即图3中水平方向的转变。

2.3 成型后砖坯质量初步控制

对成型后的砖坯分批次随机取样进行尺寸及外观检验。 初步尺寸检验包括但不限于长、宽、高、扭曲、相对边差等，初步外观检验包括但不限于缺棱掉角、疏松、裂纹、夹杂及层裂等。 对于超标砖检查，量小时要及时挑出，以免混入合格砖坯进入窑内烧成，造成能源浪费；量大时要及时查找原因，以免造成更大的人力、物力浪费及损失。应严禁超标砖进入干燥程序。还可对砖坯进行体积密度及显气孔率等测定，以对产品质量提前预判，做到及早发现及早处理，以免在产品出窑时才发现，延误工期。

3 产品质量检验及验收

3.1 组批及取样

硅质隔热耐火砖的抽样批次应按照合同签订的技术协议要求执行， 技术协议中没有明确规定的则按照硅质隔热耐火砖YB/T 386-2020的要求进行［12］。检选后的砖码垛堆放， 采用随机取样的方法进行取样，每批砖的数量不大于30 t。

3.2 验收规则

（1）硅质隔热砖现场质量验收控制包括尺寸偏差控制、外观质量控制和断面质量检查控制。现场验收时应按照合同签订的技术协议要求执行， 技术协议中没有明确规定的则按照YB/T 386-2020规定的相关要求进行。

（2）尺寸、外观及断面的检查，每批取20块砖检查尺寸和外观，合格后，抽取其中3块检查断面。尺寸和外观检查的20块砖中允许有一块不合格， 检查断面的3块应全部合格。如检查不合格，允许翻垛重检，复验一次，复验结果仍不合格则整批判为不合格。产品尺寸、 外观及断面等质量检查的详细检验方法可参照GB/T 10326-2016执行［13］。

（3）尺寸、外观及断面检查合格后随机取样进行相关理化指标检验。 所有产品检验应在第三方专业性检测机构进行。 检验结果如有不合格项目时，应从同一批中取双倍数量的试样， 进行不合格项目的复验，复验结果如有一项不符合技术要求，则整批判为不合格。

（4）验收合格的硅质隔热耐火砖，应用颜色鲜明的颜料进行逐块编号，作出明确标记，以便于现场施工。所有砖必须做好防雨防水措施，搬运时应轻拿轻放，不得碰撞、抛摔。

4 结论

（1）对硅质隔热耐火砖建立从主要原料、生产配方、生产工艺、产品检验、出厂验收等关键环节进行全方位的质量控制方法程序， 对保证硅质隔热耐火砖的质量起到了关键性作用， 为最终保证窑炉使用的良好性能起到了决定性作用。

（2）采用该生产工艺及质量控制方法生产的硅质隔热耐火砖，尺寸及外观均规范标准，在施工时砌筑方便快捷，砌筑后质量优良。

（3）通过对硅质隔热耐火砖制作工艺及质量控制进行解析，为设计、生产及使用方提供了一个借鉴参考的依据。

（4）通过后期跟踪走访发现，经监制的使用硅质隔热耐火砖的窑炉34座，部分已使用13年以上，均未发现硅质隔热耐火砖破损、脱落现象；保温隔热性能良好，炉况稳定顺行、运行良好；取得了良好的经济效益和社会效益。