耐火材料工艺学-第四章硅质耐火材料
硅质耐火材料综述
硅质耐火材料综述说明：本文主要介绍了硅质耐火材料、生产硅砖的原料及其主要成分不同变体之间的转变及工艺流程，并详细介绍了生产硅砖的机械设备及它们的工作原理和硅砖在实际生产中的应用。
关键词：硅砖原料工艺设备应用1.硅质耐火材料硅砖的矿物组成主要是鳞石英、方石英、少量的残余石英与玻璃相。
二氧化硅含量93%～98%，真密度一般为2.37～2.40g/cm3，具有抗酸性渣侵蚀性能，荷重软化温度在1640～1680℃之间，同时具有很高的导热系数。
当温度高于600℃时，其抗热震性也很好。
因而，它用作高炉热风炉及焦炉的砌筑材料。
在还原气氛下经1350～1430℃缓慢烧成，加热到1450℃时约有1.5～2.2%的总体积膨胀，这种残余膨胀会使切缝密合，保证砌筑体有良好的气密性和结构强度。
硅砖主要用于炼焦炉的炭化室和燃烧室的隔墙、炼钢平炉的蓄热室和沉渣室、均热炉、玻璃熔窑、耐火硅砖材料和陶瓷的烧成窑等窑炉的拱顶和其他承重部位。
而且硅砖抗硅酸盐玻璃成分侵蚀的能力较好，因而也可以用于玻璃熔窑上。
硅砖的主要缺点是，当温度低于600℃时，由于氧化硅的多晶转变导致较大的体积变化，使其在600℃以下的抗热震性差。
因此，使用硅砖的炉子不宜冷却至600℃以下。
硅砖以二氧化硅含量不小于96%的硅石为原料，加入矿化剂(如铁鳞、石灰乳)和结合剂（如糖蜜、亚硫酸纸浆废液），经混练、成型、干燥、烧成等工序制得。
2.SiO2的同质多晶转变二氧化硅在常压下有7个变体和1个非晶体，各变体间的转变可分为两类：第一类是高温型转变，即石英、鳞石英、方石英之间的转变，即图中水平方向的转变。
由于他们在晶体结构和物理性质方面差别较大，因此转变所需的活化能大，转变温度高而缓慢，并伴随有较大的体积效应。
第二类是低温型转变，即石英、鳞石英、方石英本身的α、β、γ型的转变，即图中垂直方向的转变。
由于他们在晶体结构和物理性质方面差别很小，因此转变温度低，转变速度快，且转变是可逆的，所伴随的体积效应也比高温型的小。
硅酸铝系耐火材料硅质耐火材料课件
VS
详细描述
高炉内衬需要承受高温、高压和化学侵蚀 等恶劣条件，因此需要选用具有良好耐火 性能和结构强度的硅质耐火材料。常见的 硅质耐火材料包括硅砖、硅质捣打料等。 在施工时，需要严格控制砌筑质量，确保 内衬的尺寸精度和表面平整度，同时采取 适当的维护措施，延长内衬的使用寿命。
案例二：连铸中间包内衬的选用及施工方法
良好的抗热震性能
硅质耐火材料具有较好的抗热 震性能，能在温度急变的情况 下保持稳定性。
良好的机械性能
硅质耐火材料具有较高的密度 和硬度，耐磨、耐压性能良好
。
硅质耐火材料的应用场景
高炉内衬
硅质耐火材料因其高温稳定性、化学 稳定性和良好的抗热震性能，广泛应 用于高炉内衬。
玻璃窑炉
玻璃窑炉内衬需要抵抗高温和化学侵 蚀，硅质耐火材料是常用的材料之一 。
采用清洁能源
在硅质耐火材料生产过程中，应 尽量采用清洁能源，如电力、天 然气等，以减少燃煤和燃油的使
用，从而降低污染物排放。
优化生产工艺
通过技术改造和升级，优化硅质耐 火材料的生产工艺，提高设备的能 源利用效率，减少能源浪费和排放 。
废弃物资源化利用
对于硅质耐火材料生产过程中产生 的废渣和废气，应进行资源化利用 ，如回收废渣制作建筑材料、废气 回收再利用等。
等方面的不同需求。技术创新能够开发出适应市场需求的新产品，提高
企业的市场竞争力。
硅质耐火材料的研发方向
提高热学性能
研发新型的硅质耐火材料，提高其热学性能，如热导率、热膨胀系 数等，以满足高温工业炉窑对材料的高温适应性要求。
提高抗腐蚀性能
针对化工、钢铁等领域的高温、高压、强腐蚀等极端环境，研发具 有优异抗腐蚀性能的硅质耐火材料。
铝硅系理论基础和粘土质耐火材料
含Cr2O311.5wt.%莫来石
含Fe2O310.3wt.%莫来石
当过渡金属固溶量达到饱和(bǎohé)后或有一定数量的杂质 存在时，莫来石如何变化？
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第四章 Al2O3-SiO2系耐火材料
《耐火材料工艺学》
3 杂质(zázhì)氧化物对硅酸铝质制品组成及性能的影响
SiO2-A3S2 （1595℃） → SiO2-A3S2-KAS4（985 ℃） △T=610 ℃ 较大(jiào dà) Al2O3-A3S2（1840 ℃） →Al2O3-A3S2-KAS4（1315 ℃） △T=525 ℃ 较小
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第四章 Al2O3-SiO2系耐火材料(nàihuǒcáiliào) 《耐火材料工艺学》
比较(bǐjiào)
《耐火材料工艺学》
还原(huán yuán)气氛
Al2O3 - A3S2 (1840℃)
↓
Al2O3 -A3S2-FeO·Al2O3
(1380℃)
氧化(yǎnghuà)气氛
Al2O3- A3S2 (1840℃)
↓
Al2O3 -A3S2-Fe2O3·Al2O3
(1460℃)
△T=460℃
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第四章 Al2O3-SiO2系耐火材料(nàihuǒcáiliào) 《耐火材料工艺学》
通过(tōngguò)添加碱性物质的莫来石热膨胀率曲线
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第四章 Al2O3-SiO2系耐火材料(nàihuǒcáiliào) 《耐火材料工艺学》 Al2O3—SiO2—MgO系统(xìtǒng)
Al2O3-SiO2系制品(zhìpǐn)的荷重软化变形温度
砖种
Ⅲ等 粘土砖 Ⅰ等 粘土砖 莫来石砖 刚玉砖
硅质耐火材料培训课件(31页)
硅质耐火材料绿色生产技术与可持续发展建议
推广清洁能源
在硅质耐火材料生产过程中， 应积极推广清洁能源，如太阳 能、风能等，减少对传统能源 的依赖，降低能源消耗和环境
污染。
优化生产工艺
通过不断优化生产工艺和技术装备 ，提高硅质耐火材料的生产效率和 产品质量，降低能源消耗和环境污 染。
加强资源回收利用
在硅质耐火材料生产过程中，应加 强资源回收利用，提高资源利用效 率，减少废弃物排放量。
烧成
将干燥后的坯体在高温下烧成 ，以获得硅质耐火材料制品。
硅质耐火材料的制备技术
常压烧成技术
常压烧成技术是指在常压下进行烧成，烧成温度通常在 1100~1400℃之间，烧成周期为12小时左右。
加压烧成技术
加压烧成技术是指在高压下进行烧成，烧成温度通常在 1400~1600℃之间，烧成周期为数小时左右。加压烧成 技术可以提高制品的密度和强度。
机械伤害
硅质耐火材料生产过程中，涉及到的机械设备较多，如传动带、搅拌机等，如果操作不当 或防护措施不到位，容易导致机械伤害事故。防范措施包括定期检查设备维护情况，确保 设备安全运行，加强员工安全培训，提高安全意识。
电器事故
硅质耐火材料生产过程中，涉及到大量的电气设备，如配电箱、电动机等，如果电路故障 或电气设备老化，容易导致电器事故。防范措施包括定期检查电气设备运行情况，及时维 修故障设备，加强员工安全培训，提高用电安全意识。
热压烧成技术
热压烧成技术是指在高温高压下进行烧成，烧成温度通常 在1500~1700℃之间，烧成周期为数小时左右。热压烧 成技术可以提高制品的密度、强度和热稳定性。
03
硅质耐火材料的性能检测与评价
硅质耐火材料的物理性能检测
硅质耐火材料生产工艺流程
硅质耐火材料生产工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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耐火材料工艺学第四章硅质耐火材料
CaO-FeO-SiO2 系
∵CaO-SiO2 、 FeO-SiO2 都 有二液区，由两个含二 液区的二元系统构成的 三元系统，仍然保持着 二液区。
∴ CaO- FeO可作为矿化剂； 硅砖可以同时吸收不同 比例的CaO和FeO。
Al2O3-SiO2系
∵加入6% Al2O3，液化 温度由1723℃ 降到 3Al2O3·2SiO2-SiO2共晶 点1595℃ ，并且无二 液区。
二、特点
①对酸性炉渣抵抗力强，但受碱性渣强烈侵 蚀，对CaO、FeO、Fe 2O3等氧化物有良好 的抵抗性；
②荷重变形温度高，波动在1640~1680℃间， 接近鳞石英，方石英的熔点(1670℃、 1713℃)；
③热震稳定性低，其次是耐火度不高，这限 制了广泛应用。
应用于： —焦炉、热风炉、玻璃熔窑、隧道窑的拱顶、 各种窑炉的架子砖等。
为什么在硅砖的生产过程中，β-石英 转化成鳞石英的量越多越好？
然界中，各种硅石所含的石英一般均为 β-石英， 至于鳞石英、方石英则很少。 ①方石英的熔点1723℃、鳞石英是1670℃、而石
英是1600℃，但石英具有较高的体积稳定性； ②硅砖中鳞石英具有特殊的结构，矛头状双晶相互
交错的网络状结构，形成结晶网络，能获得坚强 的骨架；因而使砖具有较高的荷重软化点及机械 强度；
3、矿化剂的选择原则
①与SiO2作用,并在不太高的温度下形成液相, 且对制品的耐火度降低不大;
②能够形成足够的液相,液相应具有低的黏度及 大的润湿石英的能力,且数量随温度的改变不 大;
③在制砖过程中,矿化剂分布应均匀,不具水溶性; ④经济、溶液制备容易、便于生产控制。
即:
* 有二液区； ** 形成液相温度＜ 1470℃（鳞石英的最高稳定温度）
硅质耐火材料培训课件(31页)
硅质耐火材料培训课件(31页) xx年xx月xx日contents •硅质耐火材料概述•硅质耐火材料的分类及应用•硅质耐火材料的性能及检测•硅质耐火材料的制备及加工•硅质耐火材料的性能优化及发展方向•硅质耐火材料的相关知识及法规目录01硅质耐火材料概述硅质耐火材料是指以硅酸铝质为主要原料，加入一定量的粘土、石英、高岭土等原料，经过高温烧结而成的耐火材料。
硅质耐火材料主要分为硅砖、硅质不定形材料和硅质制品三大类。
硅质耐火材料的定义硅质耐火材料的性能特点硅质耐火材料具有良好的抗渣性和耐腐蚀性，能够抵抗大部分金属熔渣的侵蚀。
硅质耐火材料具有较低的热膨胀系数和良好的耐磨性和气密性。
硅质耐火材料具有高荷重软化点、高温强度和良好的抗热震性能。
硅质耐火材料的生产工艺流程包括原料的制备、成型、干燥、烧成和后加工等环节。
制备硅质耐火材料的原料主要包括硅酸铝质、粘土、石英、高岭土等，将这些原料按一定比例混合后，经过破碎、粉碎和细磨等工序制备成硅质耐火材料生料。
将生料进行成型，可以采用机压、振动、挤压等方式，成型后的坯体需要在干燥窑中进行干燥。
干燥后的坯体经过高温烧成后，可以得到所需的硅质耐火材料产品。
烧成后的硅质耐火材料产品需要进行后加工，如修整、磨削等，以满足不同使用场合的要求。
硅质耐火材料的生产工艺流程010*******02硅质耐火材料的分类及应用硅质耐火材料主要分为硅砖、硅质不定形材料和硅质制品三类。
按化学成分分类硅质耐火材料可分为烧成和不烧成两类，烧成制品具有较高的密度和较低的气孔率。
按制造工艺分类硅质耐火材料的分类方法各种硅质耐火材料的应用场景硅砖主要用于玻璃窑炉、水泥窑炉、钢铁冶炼炉等高温工业炉。
硅质不定形材料主要用于炉衬修补料和炉顶、炉墙修补料。
硅质制品包括硅质坩埚、硅质耐火窗等，用于有色金属冶炼、玻璃熔窑燃烧器口等。
硅质耐火材料在工业炉中的应用硅质耐火材料具有较高的耐火度和较低的热膨胀系数，适用于高温工业炉的炉衬和燃烧器口等高温部位。
耐火材料-硅质材料-钢铁冶金
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CaO-Al2O3-SiO2系统
• 最低共熔液相温度 1170
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CaO-FeO-SiO2系统
• 最低共熔液相温度 1105℃
15
FeO-Fe2O3-SiO2系统
• 最低共熔液相温度 1178-1450
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Na2O-Al2O3-SiO2系统
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第二节
• 硅石原料
原料及其性质
– 制造硅砖的原料为硅石，要求硅石中SiO2含量大于96％（我国多数在98 ％以上），Al2O3、TiO2及碱金属氧化物等杂质总含量一般要小于2％。 – 硅石的显微组织分为结晶质和胶结质两种。结晶硅石由结晶石英颗粒组 成。 – 胶结硅石是由硅质胶结物将细小石英晶体胶聚而成，若控制得当也可生 产出合格产品。 – 原料分类：
3
本章主要内容
• • • • • 硅砖生产的物理化学原理 原料及其性质 硅砖的生产工艺要点 特种硅砖 石英玻璃及其制品
4
第一节 硅砖生产的物理化学原理
• SiO2的同质多晶转变 • 矿化剂的作用及影响矿化作用的因素 • 与硅砖性质有关的物系
5
一、SiO2பைடு நூலகம்同质多晶转变
• SiO2在常压下有七个变体和一个非晶型变体。 • 根据转变特点和速度，SiO2晶型转变分为两类：迟钝型转 变（重建型）和快速型转变（位移型）。
24
• 虽然硅砖的耐火度不很高，但荷重软化温度较高， 高温结构强度大，而且在 600℃以上长期使用稳定 性好，能抵抗酸性炉渣的侵蚀。 • 用硅砖砌筑的炉窑在加热烘烤过程中，应缓慢升 温，以免困膨胀过激而使砌体破坏。
25
第五节 其他氧化硅质耐火制品
• 高密度高导热性硅砖 一般采用高硅质原料，经高压成型。在尽量减 少玻璃相的数量和降低气孔率的同时，掺加CuO、 Cu2O、TiO2、FeO等导热能力高的金属氧化物， 获得气孔率为16％左右，体积密度超1.95g/cm3， 导热系数大于18W／m〃℃，机械强度高的高密度 高导热性硅砖。 • 石英玻璃制品: 石英玻璃制品也称熔融石英制品，作为耐火材料 有两类；石英玻璃制品和石英玻璃再结合制品。
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鳞石英矛头双晶（熔点1670℃）
14.05.2020
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鳞石英双晶(N1 ×100)
石英粒状晶体的断口形貌
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为什么在硅砖的生产过程中，β-石英 转化成鳞石英的量越多越好？
然界中，各种硅石所含的石英一般均为 β-石英， 至于鳞石英、方石英则很少。 ①方石英的熔点1723℃、鳞石英是1670℃、而石
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二、特点
①对酸性炉渣抵抗力强，但受碱性渣强烈侵 蚀，对CaO、FeO、Fe 2O3等氧化物有良好 的抵抗性；
②荷重变形温度高，波动在1640~1680℃间， 接近鳞石英，方石英的熔点(1670℃、 1713℃)；
③热震稳定性低，其次是耐火度不高，这限 制了广泛应用。
14.05.2020 CaO-Al2O3-SiO2材：料科11学7与0工程学院
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②液相的结晶能力（液相是否易被SiO2所饱和） 含Li2O、Na2O、FeO、MnO等氧化物的液相易被
SiO2 饱和，具有高的结晶能力，是强矿化剂。
③液相黏度和润湿能力（溶解速度） 黏度： 扩散速度和液相的粘度有关，以碱金属氧化物作
1470~171 3
＜1713
六方 斜方 等轴
蜂窝状结 构
2.228
2.33~2.34（天然） 2.31~2.32（人工）
2.229
非晶质材料科学与工程学院
2.203
1730
8
2.0
方 石英
鳞石英
石.0
0.5
0.0 0
200 400 600 800 1000
温度/oC
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④液相的结构： 若液相的原子比O：Si约为2.1~2.5时含有大量的
二氧化硅四面体的阴离子络合物，其近程次序和“α鳞石英的晶格结构相近，则将从液相中强烈析出鳞石 英。
∴矿化作用以碱金属最强， FeO、MnO次之， CaO、MnO较差。
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互变性转变 β-石英→α-石英 γ-鳞石英→β-鳞石英 β-鳞石英→α-鳞石英 β-方石英→α-方石英 α-石英→α-鳞石英 α-石英→α-方石英 α-鳞石英→α-方石英
α-方石英→熔体 熔融石英→α-方石英
体积变化，% +0.82 +0.28 +0.2 +2.8 +12.7 +17.4 +4.7
+0.1
结晶习性 柱状
常温下真比重
2.651 2.533
熔点， ℃
1600
γ-鳞石英 常温~117 斜方 β-鳞石英 117~163 六方
矛头状双 晶
2.27~2.35（天然） 2.262~2.285（人工
）
2.24
1670
α-鳞石英 β-方石英 α-方石英 14石.05英.20玻20 璃
870~1470
180~270
第四章 硅质耐火材料
Refractories of SiO2 System
本章重点：
◆ SiO2变体及晶型转变 ◆ 鳞石英的熔点及结晶特性 ◆ 矿化剂的选择原则及其种类 ◆ 硅砖的生产工艺及其性能
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简介 :
一、定义
以SiO2为主要成分（93-98%）的耐 火制品,包括硅砖、特种硅砖、石英玻璃 及其制品。
3、矿化剂的选择原则
①与SiO2作用,并在不太高的温度下形成液相, 且对制品的耐火度降低不大;
②能够形成足够的液相,液相应具有低的黏度及 大的润湿石英的能力,且数量随温度的改变不 大;
③在制砖过程中,矿化剂分布应均匀,不具水溶性; ④经济、溶液制备容易、便于生产控制。
转变温度，℃ 573 117 163
180~270 870
1200~1350 1470
1713
转变方式
位 移 型 转 变
重 建 型 转 变
-0.4
~1200
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SiO2变体的性质
变体名称 稳定温度， 晶系 ℃
β-石英 ＜573 三方
α-石英 573~870 六方
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二、矿化剂
1、作用
是加速石英在烧成时转变为低密度的变体(鳞石英 和方石英)而不显著降低其耐火度。它还能防止砖坯 烧成时因发生急剧膨胀而产生的松散和开裂。
注：制品松散、开裂的原因：在矿化剂很少或 几乎没有时，α-石英转变α-方石英（干转化）。在 干转化时，由于砖体的不均匀的体积膨胀很大，而 又无液相缓冲应力。因而引起制品结构松散和开裂， 不可能制得良好性能的制品。
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2、影响矿化剂作用的因素
取决于所加矿化剂与砖坯中硅氧在高温时所形成熔 液的数量和性质，即液相开始形成的温度，液相的数 量、粘度、润湿能力和结构等。
①共熔温度：愈低，愈有利于烧成中形成的方石英通过
液相向鳞石英转变，矿化剂作用愈强，磷 石英愈多，晶粒愈大。 如；
英是1600℃，但石英具有较高的体积稳定性； ②硅砖中鳞石英具有特殊的结构，矛头状双晶相互
交错的网络状结构，形成结晶网络，能获得坚强 的骨架；因而使砖具有较高的荷重软化点及机械 强度；
③不易熔于液相，这就使制品不因液相的出现而发 生变形，只有温度达到鳞石英的熔点，破坏了网 络结构，制品才被压溃。
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磷石英具有较高的体积稳定性！！
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纯SiO2变体的△G-T图
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方石英
鳞石英
5
石英
0
Go/KJ
-5
-10
-15
-20
-25
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Temp./K
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应用于： —焦炉、热风炉、玻璃熔窑、隧道窑的拱顶、 各种窑炉的架子砖等。
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§3.1 硅砖生产的物理化学原理
一、SiO2的同质多晶转变
SiO2的晶型转变
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SiO2不同变体间转变时的体积变化
矿化剂时，所得液相的粘度最小，鳞石英化程度 也最高。二价氧化物次之。 注：当用复合氧化物为矿化剂时，在SiO2含量相同， 则所得液相的粘度比只用其中一种氧化物的小， 因而能增强矿化作用。
润湿能力：与所加氧化物的阳离子半径及电荷有关。
阳离子的电荷大，半径小的氧化物润湿能力 强，因此矿化能力也强。
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