Для более глубокого понимания поведения при разрушении кирпичей из плавленого кварца, используемых в коксовых печах, в течение срока их службы, коммерческие кирпичи из плавленого кварца нагревали до 1400℃ и выдерживали в течение 0 (без выдержки), 0,5, 2, 5, 10 и 25 часов соответственно, а затем охлаждали до комнатной температуры со скоростью 3℃·мин⁻¹, в результате чего получали кирпичи из плавленого кварца с различной степенью кристалличности. Затем анализировали корреляцию между степенью кристалличности и микроструктурой и физическими свойствами кирпичей из плавленого кварца после различного времени выдержки. Результаты показали, что при 1400℃, по мере увеличения времени выдержки от 0 до 25 часов, содержание кристобалита (w) в термообработанных кирпичах из плавленого кварца постепенно увеличивалось с 33% до 80%. Изменение объема, сопровождающее образование кристобалита, приводило к образованию микротрещин в материале, тем самым снижая модуль упругости и прочность на изгиб.
Кремнеземные кирпичи для коксовых печей
Коксовые печи обычно имеют срок службы более 25 лет, а при надлежащем техническом обслуживании и ремонте он может достигать 40 лет. Кремнеземные кирпичи, благодаря своей превосходной объемной стабильности, износостойкости и хорошей ползучести, составляют 60–70% огнеупорных материалов, используемых в коксовых печах. Основными фазами в кремнеземных кирпичах являются тридимит и кристобалит, а также небольшое количество остаточного кварца. В течение срока службы кремнеземных кирпичей остаточный кварц продолжает кристаллизоваться при нагреве, вызывая изменения объема и повреждая структуру. Поэтому чем ниже содержание остаточного кварца в кремнеземных кирпичах, тем выше их объемная стабильность и тем дольше срок службы. При проектировании и строительстве коксовых печей выбор высококачественных огнеупорных материалов играет решающую роль в достижении цели продления срока службы коксовой печи. Однако после постройки и ввода в эксплуатацию коксовой печи, особенно на поздних этапах ее эксплуатации, повреждение огнеупорных материалов неизбежно, что влияет на нормальную работу и даже на срок службы коксовой печи.
Кирпичи из плавленого кварца для коксовых печей
Для продления срока службы огнеупорных материалов, используемых в коксовых печах, на средних и поздних стадиях эксплуатации печи необходимы плановое техническое обслуживание и ремонт. В настоящее время наиболее распространенной методикой является холодный ремонт камеры карбонизации коксовой печи: сначала корпус печи медленно охлаждают до 200-300°C, затем ремонтируют поврежденные участки футеровки и, наконец, медленно нагревают печь до рабочей температуры. Один холодный ремонт обычно занимает более недели, и правильное размещение деформационных швов имеет решающее значение для его успеха. Если деформационные швы установлены неправильно, высокое термическое расширение кремнеземных кирпичей при 180-270°C и 570°C может привести к обрушению стенок печи, что приведет к неудачному ремонту. Для преодоления недостатков традиционных методов холодного ремонта в настоящее время широко используются методы горячего ремонта с применением плавленых кварцевых кирпичей (также известных как «кремнеземные кирпичи с нулевым расширением») вместо традиционных кремнеземных кирпичей. Чрезвычайно низкое термическое расширение кирпичей из плавленого кварца позволяет проводить ремонт в режиме реального времени при температурах выше 650 °C, а после ремонта печь можно быстро нагреть до рабочей температуры без необходимости использования компенсационных швов. Кирпичи из плавленого кварца изготавливаются в основном из высокочистого плавленого кварцевого песка в качестве заполнителя с добавлением связующих веществ и добавок и спекаются после литья или машинного прессования. Для предотвращения кристаллизации плавленого кварца во время обжига требуется строгий температурный режим, и максимальная температура обжига обычно поддерживается ниже 1100 °C.
Хотя кирпичи из плавленого кварца широко используются как внутри страны, так и за рубежом с хорошими результатами, исследования их эксплуатационных характеристик все еще немногочисленны. Плавленый кварц — это термодинамически нестабильный высокоэнергетический стеклообразный материал. Длительная эксплуатация при температуре выше 1100℃ или чередование высоких и низких температур (от комнатной до 1100℃) легко приводит к девитрификации, при которой стеклообразный SiO2 девитрифицируется в кристобалит, обладающий более высоким коэффициентом теплового расширения, что вызывает расширение и растрескивание в изделиях из плавленого кварца. В данном исследовании используется более высокая температура (1400℃) и выдержка различной продолжительности для ускорения процесса кристаллизации плавленого кварца, имитируя эффект термической обработки кирпичей из плавленого кварца в процессе эксплуатации. В исследовании был проведен количественный анализ содержания кристобалита в кирпичах из плавленого кварца после различного времени выдержки при высокой температуре, а также проанализированы кажущаяся пористость, насыпная плотность, модуль упругости, прочность на изгиб, прочность на сжатие и микроструктура кирпичей из плавленого кварца с различным содержанием кристобалита. Это было сделано для изучения корреляции между структурной эволюцией, изменениями физических свойств и степенью кристаллизации кирпичей из плавленого кварца, чтобы получить более глубокое понимание их поведения в процессе эксплуатации.
Характеристики термической кристаллизации плавленого кварца
(1) Вследствие особенностей термической кристаллизации плавленого кварца, в процессе длительной эксплуатации при нагреве в плавленых кварцевых кирпичах происходит осаждение кристобалита. Этот процесс в определенной степени влияет на физические свойства и микроструктуру плавленых кварцевых кирпичей.
(2) Из-за объемного расширения, вызванного процессом кристаллизации, в плавленых кварцевых кирпичах образуется большое количество микротрещин, что приводит к снижению их прочности на изгиб и модуля упругости.
(3) Влияние процесса кристаллизации плавленых кварцевых кирпичей на их прочность на сжатие можно разделить на две части. Когда содержание кристобалита в плавленом кварцевом кирпиче составляет менее 37% (по массе), микротрещины, образующиеся на поверхности частиц, приводят к большему межзеренному разрушению при разрушении материала под напряжением, и его прочность на сжатие снижается с увеличением содержания кристобалита. Когда содержание кристобалита в плавленом кварцевом кирпиче превышает 37% (по массе), его прочность на сжатие возрастает за счет увеличения прочности кристаллов, вызванного образованием кристобалита. Помимо кристаллизации плавленого кварца, при нагреве плавленого кварцевого кирпича одновременно происходит и процесс спекания. Эти два процесса являются основными причинами изменения различных свойств плавленого кварцевого кирпича в процессе эксплуатации.
