硅莫磚的技術性能及其在水泥回轉窯的應用

0 引 言

硅莫磚，有“耐磨磚”的諧音，20世紀90年代初試制成功，曾叫HMS高耐磨磚，耐磨系數高于磷酸鹽結合高鋁磚五倍以上[1]。就其物相成分來講應該為碳化硅—莫來石制品，簡稱硅莫磚。這個稱謂大多在建材行業(yè)流行，其他行業(yè)一般稱為高鋁碳化硅磚、三氧化二鋁—碳化硅磚。

近年來，硅莫磚在水泥回轉窯的應用得到快速發(fā)展，特別是新型干法窯的出現和大型化，窯的轉速、窯內熱應力強度大幅度提高，對耐火材料的材質、理化性能提出了新的更高要求。因此水泥回轉窯除燒成帶在其所掛窯皮的保護下尚在使用鎂鉻磚外，次燒成帶、過渡帶、冷卻帶在改用硅莫磚后，效果明顯好于鎂鉻磚。

目前國內江蘇、山西、山東、浙江等省有數十家耐火材料企業(yè)生產這種產品。由于這種產品原料來源方便，工藝要求不嚴，各企業(yè)實際產能很大，只要能生產粘土磚或高鋁磚就能生產硅莫磚。產品供大于求，市場競爭激烈。硅莫磚具有耐高溫、抗侵蝕、抗磨損特性，不過由于各企業(yè)的技術水平差異，產品質量也不同。如何生產質量高的硅莫磚，提高水泥窯用耐火材料的使用壽命，本文作些探討，供硅莫磚的生產和使用參考。

1 硅莫磚工藝技術的發(fā)展

早在1891年美國人艾奇遜發(fā)明合成碳化硅，1903年碳化硅磚試制成功，距今己經一百多年了。眾所周知，碳化硅耐火度高，在還原氣氛中到2 600 ℃一直是穩(wěn)定的；硬度大（莫氏硬度9～9.5），僅次于金剛石；熱導率高（至500 ℃時達64.4 W/m·K，到875 ℃時達41.4 W/m·K），熱膨脹系數比較?。?.0×10-6/c）。碳化硅為共價健結合。不存在通常所說的燒結性，而靠化學反應生成新相達到燒結，即反應燒結。因此碳化硅制品按結合相不同分為粘土結合、莫來石結合、二氧化硅結合、Si2N2O結合、Si3N4結合、Sia/on結合等碳化硅制品。其性能指標見文獻[2]，莫來石及剛玉莫來石結合的制品強度高，見表1。碳化硅系人工合成，其制品成本高，特別是氮化硅、賽隆、重結晶結合等制品，生產技術復雜，設備要求高。并且碳化硅制品的熱導率高（15～17 W/m·K），并非是水泥窯的理想耐火材料。我國試用過，沒有推廣[3]。

20世紀80年代末期，國際上開始研究二元系乃至三元系中氧化物與非氧化物的復相耐火材料，在著名耐火材料專家鐘香崇院士的領導下，我國也進行了復相耐火材料的研究工作，作為非氧化物，人們熟知的SiC得到格外關注，于是SiC剛玉制品、SiC鋯英石制品、SiC莫來石制品等先后研制成功。這些復相耐火材料的特點是常溫和高溫強度比單一氧化物材料高，抗氧化性能比單一SiC好，而這些復相材料的氧化屬于保護性氧化，材料表層的SiC氧化為SiO2，在材料表面逐漸形成保護層，阻礙了氧化向制品內部進一步滲透。這些復相制品燒成溫度較單一氧化物制品低，而制品強度卻高。在我國研究比較多的是純剛玉SiC制品，其次是剛玉莫來石制品，剛玉硬度大（莫氏硬度為9.0～9.2），耐磨性好，但結合度不如莫來石剛玉制品。含SiC復相材料的強度指標取決于結合相，也可以說是制品燒成時的二次莫來石化程度。純剛玉SiC制品，靠SiC氧化產生的SiO2與基質中的Al2O3反應形成莫來石結合，根據參考文獻[5]介紹，SiC加入量10%～15%綜合指標較好，SiC過量，不利于成型，坯體性能下降。而且還要盡量保護SiC不被氧化，發(fā)揮SiC在制品中的作用，提高制品熱震穩(wěn)定性、耐磨性等指標。因此純剛玉SiC制品靠SiC氧化而形成的二次莫來石有限，燒成溫度也高，要靠添加金屬Si、Al粉等添加物來實現二次莫來石化。純剛玉及添加物售價高，制品的成本與使用壽命不成正比。我國天然高鋁礬土得天獨厚，而且屬于水鋁石—高嶺石型，用高鋁礬土熟料與SiC生產復相耐火材料，自然受到關注，在20世紀90年代初期就有人生產這種制品，在冶金、電力系統廣泛應用。其實水泥行業(yè)的硅莫磚與冶金行業(yè)的高鋁SiC磚沒有多大差別，也是用高鋁熟料與SiC配料制取的制品，并非用純莫來石、SiC生產。眾所周知，我國的特等和一等高鋁熟料主要由剛玉莫來石及少量玻璃相組成，它構成硅莫磚的骨架，基質由SiC、

Al2O3、SiO2質材料構成。二次莫來石化效應是由碳化硅氧化產生的SiO2與Al2O3反應產生。燒成過程發(fā)生下列反應：

SiC+O2 = SiO+CO

2SiO+O2=2SiO2

2CO+O2=2CO2

反應得到的SiO2，一部分沉積在顆粒表面形成保護膜，防止其進一步氧化，另一部分填充和封閉氣孔，使結構致密。如果SiC大量氧化，將使磚氧化層加厚，內部結構變得疏松。為了防止SiC氧化，加入金屬Si、Al粉等防氧化劑。Si粉氧化后生成SiO2，即Si+O2=SiO2，2SiO2+3Al2O3=3Al2O3·2SiO2

（莫來石）。隨著Si加入量的增加，氧化層厚度減薄?？墒羌尤肓砍^2%時，制品氣孔率上升，耐壓強度下降，這是由于過量SiO2造成二次莫來石化效應過大，伴隨體積膨脹過大，使結構疏松[6]。添加金屬Al粉，以金屬Al粉、Al2O3和SiC混合粉，共磨混合，在制品燒成過程中，Al 在1 000 ℃時氧化為Al2O3，SiC在1250 ℃時氧化為SiO2，Al2O3和SiO2在1 400 ℃時開始反應形成莫來石[7]。單獨加入金屬Si或Al，制品表面氧化層均較厚，一般大于5 mm。二者同時加入，表面氧化層厚度小于1 mm，一般在0.3 mm以下。因為Al·Si的低共熔點溫度低（577 ℃），在較低的溫度下產生液相，有利于物質擴散，降低反應生成溫度及增加生成量，提高制品強度，金屬Al粉還可以把Si粉和SiC粉表面的SiO2還原成Si，增強Si粉的反應活性。使其與Al2O3反應生成莫來石，阻止SiC氧化。

防止SiC氧化，也可以將高鋁粉、SiC粉結合粘土或硅質料共同磨細，使其高度均勻分散，并與高鋁顆粒均勻接觸。在SiC氧化生成SiO2與Al2O3反應生成莫來石的同時，共磨粉里粘土或硅質料中過量的SiO2與Al2O3反應生成莫來石，在SiC晶粒表面產生莫來石化效應，伴隨體積膨脹制品致密。而原料中TiO2、Fe2O3與過量SiO2共熔產生液相填充氣孔和封閉氣孔，防止空氣進入，阻止SiC氧化。制品表面氧化層小于0.3 mm。

制磚原料顆粒堆積密度也很重要。顆粒堆積緊密，氣孔少且小，滲入的氣體少，也能減輕氧化，

同時能得到結構致密、強度高的制品。

原料的Fe2O3含量和破粉碎帶入的機械Fe也是影響SiC氧化的重要因素，反應如下：

SiC+Fe2O3+O2=Fe2SiO4+CO

利用粘土加有機結合劑的制品，靠燒成溫度使制品燒結致密。利用化學結合劑，如磷酸鹽在42.5～250 ℃脫水轉化為焦磷酸鹽，到265 ℃就由活潑狀態(tài)變?yōu)椴换顫姞顟B(tài)，250～450 ℃范圍內進一步脫水轉化為偏磷酸鹽，在320～430 ℃時就形成膠結，在400～500 ℃就可以達到很高的粘結強度，加熱溫度超過700 ℃時偏磷酸鹽和焦磷酸鹽開始分解為正磷酸鹽（Al2O3·P2O5），P2O5開始逐漸升華，超過1 100 ℃時 ，P2O5揮發(fā)很快，隨著溫度的提高，將發(fā)生聚合、多縮聚合，以及膠結粘附等作用，同時形成陶瓷結合，使制品獲得強度和高溫性能。因此用化學結合劑的制品，較低燒成溫度就可以獲得高強度、高密度的制品。

按顯微結構硅莫磚主要由莫來石、剛玉、SiC及玻璃相組成，在顆粒交界處生成的為莫來石、玻璃相及SiC。莫來石呈柱狀、針狀形成相互交結的網絡結構，與周圍的顆粒緊密結合在一起，使制品有較高的強度。

2 硅莫磚的技術性能

隨著硅莫磚工藝技術的進步，其制品的質量得到顯著提高，技術性能也有大幅度提高。為了適應水泥回轉窯不同部位的使用條件，硅莫磚也由過去的單一品牌發(fā)展為多個品牌，具有代表性的理化指標見表2。

（1）制品結構致密，耐磨性好。

硅莫磚主晶相由硬度高的礦物剛玉（莫氏硬度9.0～9.2）、碳化硅（莫氏硬度9.0～9.5）、莫來石（莫氏硬度7.0～7.5）組成。制品結構致密度高，體積密度普遍在2.7～3.0 g/cm3。根據文獻[8]，耐火材料的常溫耐磨性能取決于其強度和結構的致密性，強度和致密度高的材料，耐磨性能較好。水泥回轉窯內襯長期受物料的滾動磨擦，磨損是耐火材料內襯損毀的主要原因之一。硅莫磚的致密度、強度及耐磨性顯著優(yōu)于抗剝落高鋁磚及鎂鋁尖晶石磚。硅莫磚在水泥回轉窯次燒成帶、過濾帶等部位

使用效果好，可以說耐磨性好起了很重要的作用。

（2）荷重軟化溫度高，高溫性能好。

硅莫磚的荷重軟化溫度都在1 450 ℃以上，最高1 650 ℃以上。不同品牌的制品荷重軟化溫度有一定差異（見表2）。水泥回轉窯內襯的不同部位磚面溫度不同，次燒成帶、前過渡帶溫度達1400 ℃左右，高于燒成帶磚面溫度（因燒成帶有窯皮保護，磚面溫度為900～1 000 ℃）。因此次燒成帶、前過渡帶可選擇HMS-1680牌號，而后過渡帶、冷卻帶等溫度較低部位可選擇HMS-1650、HMS-1550等牌號。就這些磚的荷重軟化溫度指標也都超過經常使用的抗剝落高鋁磚和磷酸鹽高鋁磚（荷重軟化溫度為1 300～1 520 ℃）。

與燒成帶相比，過渡帶由于沒有窯皮保護，容易受到還原氣氛和熱負荷等的影響，其使用壽命一直是水泥回轉窯的瓶頸問題，因此一些水泥廠在過渡帶采用鎂鋁尖晶石制品。根據某廠5 000 t/d大型水泥回轉窯過渡帶用鎂鋁尖晶石磚研究得出[9]：前過渡帶用鎂鋁尖晶石磚基本無侵蝕，可是由于堿沉積在開口氣孔中，使結構致密化，造成同一塊磚形成不同段帶，而使磚熱面剝落和產生裂隙，造成內襯損毀。而硅莫磚由于本身結構致密，特別磚面形成連續(xù)的SiO2致密層，阻止熔融物質滲透，加之Al2O3、SiC、SiO2化學性質穩(wěn)定，不與窯內產生的SO2、O2、CO2等氣體發(fā)生劇烈反應，不與水泥物料產生化學反應，因此抗侵蝕能力較強。其次是硅莫磚的熱震穩(wěn)定性好。由于硅莫磚中含有一定量的SiC，眾所周知，SiC熱導率高，熱膨脹系數比較小，使制品的熱震穩(wěn)定性顯著提高，1 100 ℃水冷試驗都在10次以上，最高達46次，因此水泥回轉窯用硅莫磚不剝落、不斷裂，能顯著提高使用壽命。

（3）降低窯體溫度，隔熱性能好。

硅莫磚的熱導率〔2.3～2.5 W/(m·K)〕較堿性制品〔2.69～2.74 W/(m·K)〕低[11]，因此硅莫磚的隔熱效果比較好。在大型回轉窯的次燒成帶、過渡帶、預熱帶、窯尾、三次風管、分解爐等部位用硅莫磚，與堿性磚相比，筒體表面溫度降低100 ℃以上。

3 硅莫磚在水泥回轉窯的應用

我國生產的硅莫磚，在國內自行設計的2000～10 000 t/d大型水泥回轉窯上得到了廣泛應用。據了解，有的窯筒體除了長約20 m的燒成帶用直接結合鎂絡磚、前后窯口各0.8 m左右用澆注料外，全部采用硅莫磚（圖1）。燒成帶的后部，所謂的次燒成帶，一般與燒成帶一樣，用直接結合鎂絡磚，但窯皮很難穩(wěn)定。由于鎂絡磚熱震穩(wěn)定性差，抗磨強度低，磚與窯皮結合部分易隨窯皮剝落，影響該段的使用壽命，而硅莫磚由于熱震穩(wěn)定性好，使用過程不斷裂，不剝落，抗侵蝕，使用壽命明顯延長。例如：浙江余姚舜江水泥公司2 500 t/d水泥回轉窯21.55 m～24.955 m原用直接結合鎂鉻磚，使用壽命310 d，改用硅莫磚（AZM1650），使用壽命達410 d；安徽淮北礦業(yè)集團2 500 t/d水泥回轉窯次燒帶原用鎂鋁尖晶石磚，過渡帶原用抗剝落高鋁磚，在一年內搶修換磚多達3次，最短的在三個月就出現紅窯。而重新配置窯襯，次燒成帶改用硅莫磚1680，過渡帶為硅莫磚1650，窯的使用壽命長達15個月。寧夏勝金水泥公司的2 500 t/d窯的過渡帶等部位使用硅莫磚已經7個多月，沒有發(fā)現任何問題，仍在使用中。

水泥回轉窯過渡帶的磚面溫度在1 400 ℃左右，預熱帶、冷卻帶等部位的溫度比過渡帶要低，就是燒成帶受窯皮保護，磚面的溫度也不高，硅莫磚的荷重軟化開始溫度在1 500 ℃以上，特別是制品結構致密，由硬度高的礦物、剛玉、碳化硅、莫來石組成，耐磨性特別好，是過渡帶的理想磚種。耐壓強度和荷度軟化溫度明顯高于抗剝落高鋁磚，其熱震穩(wěn)定性、抗腐蝕性、耐磨性好、熱導率不高，正是后過渡帶工藝特性所要求的，使用壽命是抗剝落磚的1.5～2倍[12]。耐磨性好更適合冷卻帶，使用壽命可達兩年以上，是高鋁磚壽命的3～5倍。

現在已經按回轉窯不同段帶的使用條件，應用不同牌號性能不同的硅莫磚。

此外，高鋁碳化硅磚在鋼鐵、有色金屬、化工等部門也廣泛應用。

4 結束語

用高鋁礬土熟料與碳化硅材料為主要原料，按普通耐火材料的工藝流程，生產的硅莫磚具有抗熱震、耐磨損、抗侵蝕等優(yōu)良性能，在水泥回轉窯次燒成帶、過渡帶、冷卻帶等部位使用可代替鎂鉻磚、尖晶石磚、抗剝落高鋁磚、磷酸鹽結合高鋁磚，使用壽命提高了3～4倍。

參考文獻

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