В разработке огнеупорных материалов использование кремнеземных огнеупорных кирпичей в сталелитейной промышленности было максимально ограничено. В рамках этих усилий проводились исследования крупнозернистых огнеупорных кирпичей для улучшения насыпной плотности, высокотемпературной прочности и температуры размягчения под нагрузкой, а также разрабатывались сверхпрочные огнеупорные кирпичи с целью минимизации содержания вредного оксида алюминия, щелочных веществ и диоксида титана. Однако, несмотря на эти усилия, условия сталелитейной промышленности остаются крайне требовательными к кремнеземным кирпичам. Из-за быстрой замены щелочных огнеупорных кирпичей кремнеземные кирпичи исчезли с рынка — процесс, имеющий важное значение в технологической истории огнеупорных материалов. Сейчас остались только крышки электродуговых печей, что является следствием особых условий эксплуатации крышек и характеристик кремнеземных кирпичей.
Свойства кремнеземных кирпичей
- 1. Огнеупорность и температура размягчения под нагрузкой: Огнеупорность кремнеземных кирпичей обычно находится в диапазоне от 1690 до 1730 ℃, а температура размягчения под нагрузкой относительно высока и составляет около 1650 ℃. Близость температуры размягчения под нагрузкой и огнеупорности в основном обусловлена тем, что основной кристаллической фазой является сетевая структура тридимита с двойникованием в виде наконечников копий, а матрицей — высоковязкая стекловидная фаза.
- 2. Шлакостойкость: Кремнеземные кирпичи являются кислыми огнеупорными материалами, обладающими высокой устойчивостью к кислым и слабокислым шлакам и коррозионным газам.
- 3. Высокотемпературная объемная стабильность: При нагреве кремнеземные кирпичи подвергаются не только термическому расширению, но и кристаллической трансформации, сопровождающейся расширением объема. Если в кирпиче остается нетрансформированный остаточный кварц, он будет продолжать трансформироваться в тридимит или кристобалит при высоких температурах, что приведет к значительному расширению объема.
- 4. Термостойкость: Кремнеземные кирпичи обладают низкой термостойкостью, требуя всего 1-2 циклов водяного охлаждения при 850℃. Причина заключается в том, что при быстром охлаждении при высоких температурах в кремнеземных кирпичах происходит кристаллическая трансформация, приводящая к значительным изменениям объема. Это является основным недостатком кремнеземных кирпичей.
Кислоземные кирпичи — это кислые огнеупорные материалы, обладающие высокой устойчивостью к кислым шлакам или расплавам, но низкой устойчивостью к щелочным веществам. Они легко повреждаются оксидами, такими как Al₂O₃, K₂O и Na₂O, но проявляют хорошую устойчивость к оксидам, таким как CaO, FeO и Fe₂O₃.
Поэтому кремнеземные кирпичи в основном используются для футеровки камеры карбонизации, камеры сгорания и перегородок коксовых печей. Примерно 73% огнеупорных материалов, используемых в коксовых печах, составляют кремнеземные кирпичи. Они также используются в стеклодувных печах и их крышах, стенах, высокотемпературных несущих элементах доменных печей, печах для обжига углеродистой стали и других тепловых печах. Для повышения производительности современных крупных коксовых печей необходимо истончать камеру карбонизации, камеру сгорания и перегородки, что требует использования высокоплотных кремнеземных кирпичей с высокой теплопроводностью. Существует множество разновидностей кремнеземных кирпичей, которые можно классифицировать по назначению на кремнеземные кирпичи для коксовых печей, кремнеземные кирпичи для доменных печей, кремнеземные кирпичи для электропечей, кремнеземные кирпичи для стеклодувных печей и т. д. Их также можно классифицировать по сложности формы на стандартные кирпичи, обычные кирпичи, кирпичи неправильной формы и кирпичи специальной формы.
Повышение коррозионной стойкости кремнеземных кирпичей
Однако увеличение размеров электропечей, установка пылеулавливающих патрубков, рост энергопотребления и тепловое воздействие горелок привели к потерям расплава кремнеземных кирпичей, образующих крышку печи, что вызвало неравномерные потери. В связи с увеличением использования высокоглиноземистых кирпичей, трамбовочных материалов и основных огнеупорных кирпичей, их состав стал более разнообразным. Таким образом, кремнеземные кирпичи постепенно вытесняются. Однако для повышения коррозионной стойкости кремнеземных кирпичей производители прилагают соответствующие усилия. С помощью таких процессов, как пропитка смолой или пропитка оксидом хрома, им удалось не только сохранить характеристики кремнеземных кирпичей, но и успешно подавить проникновение низкоплавких веществ в кремнеземные огнеупоры.
Качество и характеристики пропитанных огнеупоров, а также состояние пропитанных оксидом хрома огнеупоров после использования. Хотя подобные обработки принципиально не улучшают коррозионную стойкость огнеупорных кирпичей, добиться значительного прорыва в решении этих проблем сложно.
Кислородные кирпичи для коксовых печей, являющиеся футеровочными материалами, используемыми в течение многих лет, демонстрируют относительно медленные изменения. Целью стали материалы, которые часто используются и не подвергаются вторичным изменениям. Поэтому кремнезем в основном состоит из трикрита (плотность 2,27 г/см³), при этом содержание кремнезема (плотность 2,65 г/см³) и кристобалита (плотность 2,23 г/см³) сводится к минимуму для получения материала с низкой плотностью. Кроме того, целью улучшения свойств становятся плотные материалы с низкой кажущейся пористостью.
Кажущаяся пористость кремнеземных кирпичей варьируется. Также проводятся эксперименты по разработке более плотных кремнеземных кирпичей с меньшими вариациями. Ранее для огнеупорных кирпичей, используемых для днищ печей, требовалась кажущаяся пористость ниже 20%. В 1964 году в США был опубликован метод уплотнения путем добавления оксида меди и оксида титана; некоторые из этих методов в настоящее время проходят практические испытания с целью повышения эффективности теплопередачи стенок печи, то есть для повышения производительности за счет улучшения теплопередачи стенок коксовой печи (увеличение размеров печей и высоты печи).
Поэтому для перегородок камеры сгорания и камеры карбонизации требуются тонкостенные футеровочные материалы с высокой теплопроводностью. Плотные огнеупорные кирпичи с насыпной плотностью 1,95 г/см³ (кажущаяся пористость 17,6%) имеют теплопроводность примерно на 25,8% выше, чем у обычных изделий (насыпная плотность 1,72–1,80 г/см³, кажущаяся пористость 22,4%–25,8%). Как правило, американский метод предполагает определение степени уплотнения путем добавления присадок. В качестве альтернативы, используя легко уплотняемые сырьевые материалы и прилагая усилия к регулированию размера частиц, выбору сырья и формованию, можно также добиться низкой пористости.
Массовое соотношение плотных огнеупорных кирпичей в Японии и США. Добавление оксида меди полезно для теплопроводности, но добавление этого компонента в кремнеземные огнеупорные кирпичи нежелательно из-за его влияния на температуру размягчения под нагрузкой и изменения состава во время эксплуатации. В целом считается, что низкая пористость может быть достигнута в ограниченном диапазоне за счет присущей кремнеземным кирпичам структуры.
Взаимосвязь между пористостью и теплопроводностью без потери свойств кремнеземных кирпичей делает улучшение теплопроводности предметом исследований. Уплотнение также улучшает воздухопроницаемость, износостойкость и прочность при высоких температурах. При одновременном рассмотрении обоих факторов важность уплотнения в кремнеземных кирпичах становится очевидной.
