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1、硅砖的回顾与展望摘要：回顾了硅砖的发展进程,总结了硅砖生产的经验,指出了硅砖生产中现存的问题,并提出了整改措施及科研方向。关键词硅砖,回顾,展望自英国人 WWYoung 于 1822 年用英国南威尔士的地那斯硅石制成硅砖开始,硅砖已有177 年的历史了。从 1864 年 Martin 用硅砖砌筑酸性平炉起,硅砖在冶金工业中曾经显赫一时,很长时间它在炼钢厂的耐火材料消耗中保持首要地位。我国建国前硅砖的年生产能力大约为 34 万 t,建国后硅砖产量 1955 年为 6.3 万 t,占耐火材料总产量的 12%;1960 年曾达到39.73 万 t,占耐火材料总产量的 5%。然而,随着炼钢技术的发展,
2、平炉基本上被淘汰,电炉顶用硅砖已被高铝质耐火材料或水冷炉顶所替代,至此硅砖几乎退出了炼钢领域,主要的服务对象是焦炉、玻璃熔窑和大型高炉的热风炉。因而硅砖的消耗量大减,20 世纪 70 年代以来每年大约消耗十几万 t,占耐火材料总量的 1%3%。本文对五十年来我国硅砖生产的发展进程进行了回顾和总结,并针对目前硅砖生产企业存在的问题,发表了一些自己的看法。1我国硅砖生产的技术进步解放初期耐火材料生产装备十分落后。 “一五”计划期间,鞍钢耐火材料厂硅砖车间于 1954 年改造后投产,成型及以前的诸工序实现了机械化,隧道干燥器取代了火炕,但烧成设备仍用原来的倒焰窑。1960 年鞍钢耐火材料厂自行设计并
3、施工的 168 m 隧道窑投入生产。在“二五”期间,又新建了洛阳耐火材料厂,其中硅砖车间吸收了鞍钢耐火材料厂改造的经验并引进了前苏联在 50 年代初设计的 157.5m 隧道窑。目前 ,国有企业大多淘汰了倒焰窑或仅留较小的能力以生产特大型制品。成型设备主要是摩擦压砖机和振动成型机,洛耐硅砖车间在 1987 年引进了日本的 750 t 复合式自动压砖机。 五十年来,从总的工艺装备来看有了很大进步,为提高和稳定产品质量提供了较好条件。在改进工艺装备的同时,硅砖的制造技术不断取得进展。在 50 年代初期,提高硅砖平炉顶的寿命是当时的迫切任务。前东北科学院和以后的中国科学院金属研究所对硅砖生产的基本理
4、论和原料的研究取得了很多成果,如:东北、华北地区 13 种硅石基本性质的研究,硅砖颗粒组成的研究,矿化剂的研究,高硅质硅砖的工艺试制,高硅质硅砖烧成过程中的物理化学变化等等。鞍钢耐火材料厂于 1951 年成功地用脉石英制成平炉顶硅砖,次年又试制了高硅质平炉顶硅砖,使鞍钢 150 t 平炉顶寿命由几十炉提高到 180 多炉。在试制和生产平炉顶硅砖的同时,鞍钢耐火材料厂还担负着试制焦炉硅砖的任务。19541957 年,本钢耐火材料厂、太钢耐火材料厂和抚钢耐火材料厂都先后进行了焦炉硅砖的研制,取得了十分宝贵的经验。1964 年洛耐进行了大型玻璃窑硅砖的试制并在很短的时间内拿出了质量符合用户要求的产品
5、。在此基础上,洛耐又采取了诸多技术措施,从而全面提高了玻璃窑硅砖的质量,1983 年获国家银质奖。当时该厂的玻璃窑用硅砖产量约占全国总量的一半。从我国经济恢复时期直至宝钢建设前,冶金行业未曾用过国外的硅砖。70 年代后期,在钢铁以及建材、电子等行业从日本、西德、美国引进新技术装备的同时也引进了大批量的硅砖,其中包括焦炉、玻璃熔窑、高炉的热风炉用整套硅砖。这些砖除极少数在外观上低于我国的质量标准外,其它在理化性能、尺寸偏差和包装等方面均较我国为好。为了使我国先进高温技术所需的耐火材料国产化,耐火材料界开始了行业性攻关。期间除冷水江耐火材料厂从美国引进制造优质硅砖的软件、洛阳耐火材料厂从日本引进一
6、台 750 t 复合式压砖机和焦作轻工耐火材料厂从美国引进二座梭式窑外,所有的装备更新和工艺改进均靠国内解决。当时我国硅砖质量与国外的差距主要是:真密度偏高、尺寸偏差大、玻璃窑顶用硅砖纯度低及少数企业的大砖内部有缺陷。在 80 年代初、中期,生产硅砖的主要企业先后都实现了攻关目标,达到或接近世界先进水平。宝钢二、三期工程所需的焦炉硅砖和高炉热风炉硅砖全部由洛耐、鞍钢、山东二耐供应。大型浮法玻璃窑采取保温节能措施后,绝大多数都使用国产的优质玻璃窑硅砖。现在国内各行业高温窑炉所需的各类硅砖国内皆可满足,而且近十年来还出口至美国、日本、意大利等一些发达国家。我国不同时期硅砖产品标准主要指标值的变化,
7、可以看出硅砖生产的进步情况五十年来,我国硅砖生产走过的是一个艰难和曲折的过程,首先遇到的问题是合格率低。在提高合格率的工作中,鞍钢耐火材料厂通过测量砖坯各温度阶段的膨胀率和在倒焰窑顶上安装膨胀计,找出产生裂纹的关键阶段,制订了高温阶段(1280 以上) 的升温速率和烧成温度(由 1420降至 1360)。太钢耐火材料厂的烧成温度从 1430降至 1380 ,本钢耐火材料厂 1956 年以后的烧成温度为 1365。与此同时,各厂在颗粒组成,矿化剂等方面大多采用细粒度、高碱度的方针。长期困扰人们的合格率低的问题初步得到解决,但是硅砖的真密度一直在合格线的上下徘徊,内在质量和尺寸偏差不稳定。直到改革
8、开放后大量引进国外硅砖,主要的硅砖生产厂家才正视与国外的差距,积极探索全面提高硅砖质量的道路,原料选择、颗粒级配、热工制度等均有较大变化,使我国硅砖的质量跃上了一个新水平。2硅砖的生产经验总结我们五十多年来生产硅砖的基本经验,主要有以下几个方面:(1)原料是基础。原料应品质稳定,烧成时不易松散且易于控制,还应有相当的储量便于较长时期使用。选择适当的原料,可使制造工艺简化,操作方便,质量稳定,成本降低。用不同性质的二种或二种以上的混合硅石制砖逐渐被人们采用,如洛耐、山东二耐、冷水江耐火材料厂等都验证了用混合硅石比用单一硅石优越,日本的硅砖也是采用二种以上甚至四种原料配合使用。用混合硅石制硅以下几
9、个好处:一是可调整化学成分; 二是可调整颗粒组成 ,经济地达到合理级配;三是易于控制砖坯在烧成时的膨胀和晶型转化 (每种硅石加热时的膨胀曲线不完全一致,利用这一差别可以拉长产生膨胀的温度区段,使膨胀得以分散。);四是降低成本。(2)粒度级配要合理。硅砖的粒度级配需考虑二个方面的问题:一是合格率,二是有利于石英的晶型转化,达到预期的矿物组成。现在大多数硅砖厂采用较小的临界粒度 22.5mm, 最大不超过3mm,还有相当比例的细粉。中国科学院金属研究所的研究报告称 ,用再结晶、致密、中速转化硅石,其临界粒度大于 3mm 时,烧成裂纹严重。(3)重视矿化剂。石灰既是结合剂又是矿化剂,不论是以石灰乳还
10、是以 Ca(OH)2 干粉的形式加入,都是制造硅砖不可缺少的。它既能增加成型后砖坯的强度,也可在烧成低温阶段(600700) 与 SiO2 反应而使砖坯强度有所增加。在 1000以后生成的假硅灰石可与其它矿化剂生成液相,使石英向鳞石英转化。除石灰外,根据硅石的化学成分还可采用轧钢屑、钢渣、含锰或含碱金属氧化物的矿物作矿化剂(4)混练应具有捏合作用。泥料的制备不仅要混合均匀,而且应具有良好的捏合性 ,这对提高砖坯的密度至关重要。湿碾机混练的泥料符合以上要求,但必须保证混练时间。(5)(5)制坯机械化。现国内生产硅砖的大、中型企业已配备了高、低冲程和大、小吨位齐全的摩擦压砖机和振动成型机,全部砖坯
11、均可机械成型。(6)(6)砖坯低温干燥。鞍钢、本钢、洛耐都曾因干燥温度过高,降低了硅砖的合格率,从而引起对低温干燥的重视。(7)(7)烧成是关键。要使硅砖的真密度低而且稳定,尺寸偏差小,必须采取适当高温、窑温均匀、充分转化的方针。对于硅砖生产的基本经验,可总结为这样一句话:原料是基础,装备是条件,工艺是保证,烧成是关键。3目前硅砖生产中应重视的问题(1)合格率偏低。1997 1998 年主要生产厂家的合格率大约为 70%80%。有的厂家是靠牺牲合格率来保证交货的 ,废品堆集如山,浪费惊人。对于大砖和形状特殊的砖无相应的工艺规定。(2)理化性能虽合格 ,但标准偏差值大。(3) 有的企业制品的尺寸
12、偏差仍然不小,需要靠加工后出厂。(4)制品的矿物组成不十分理想,还未引起制造者的足够重视。宝钢一期工程引进的焦炉硅砖 ,鳞石英为 75%80%,残余石英为 00.5%;北京玻璃厂引进德国的硅砖 ,鳞石英 35%40%,方石英 55%60%,残余石英微量,液相 5%。有的厂家尚不能完全达到上述水平。(5)有的企业制品内部有缺陷,如层状组织、内部裂纹等。上述问题的存在,是我们的装备水平、技术水平、管理水平和劳动力素质不高的综合反映。硅砖生产流程长、环节多、单体设备多(如压砖机群),不能形成很紧凑的连续生产线,有的工序基本是靠体力劳动。当前,企业难有较大的投入进行技术改造,但是可以针对存在的质量问题
13、发动职工进行技术革新,如实行颗粒多级配料,压砖机双面加压等,花钱不多而且可以收到很好效果。此外,切实加强质量管理,全面提高员工的素质,也是不容忽视的。4展望硅砖市场将逐渐萎缩。在炼焦工业,已研制出一种不用焦炉生产的“成型焦炭”,可以替代一部分传统焦炭。在炼铁技术方面,直接还原与融熔还原炼铁新技术正在逐步转化为生产力。随着这些新技术的推广,焦炭需要量将逐步减少。近来国外成套焦炉砖减少而补修用焦炉砖增多,可能有二个主要原因:一是高炉喷煤粉量增加 ,降低了焦炭需求量; 二是新的炼铁技术在逐步推广应用,焦炉运行的座数将逐渐减少,对现有焦炉尽量延长其寿命,以小修代替大修。但是应该看到,即便是在工业发达国
14、家,新技术替代旧技术需要一个较长的过渡时期。期间,焦炉的大修和补修所需的硅砖仍会维持相当水平。目前,国内外的玻璃窑用硅砖除蓄热室格子砖和部分胸墙砖被其他砖替代外,在熔炉顶部,硅砖仍保持其优势地位。从国内外市场来看,今后相当长的一段时间,我国硅砖销售量不会大幅度下滑。所以生产硅砖的企业,在密切关注市场变化的同时,不应放弃在技术进步方面的努力。市场变化如何进行技术改造是需要认真思考的问题。作者认为技术改造的目标应是:逐步采用先进、适用的技术,实现单体设备的自动化与全流程的机械化,淘汰高能耗、低效率和不易自动控制的设备。更新改造的重点是压砖机和烧成设备。液压和复合式自动化压砖机我国均有样机,应加以完
15、善并系列化以代替老式摩擦压砖机。淘汰燃煤倒焰窑改为燃油或煤气,或更新为梭式窑。对现在使用的硅砖隧道窑均应改造。现国内有二种基本窑型:一种是苏联在 50 年代初期设计的以洛耐窑为代表的 2.5 m2.24 m157.5 m 型,另一种是鞍钢耐火材料厂设计的 3.0 m3.2 m168m 型。两种类型的窑有一个共同缺点,即预热带砖垛温度不均匀,上、下温差大,车位之间温度梯度大,砖坯受热冲击严重,造成裂纹。解决办法可考虑在预热带强化对气流的搅动,除改进原有的废气循环装置外,增设高速喷咀,以加速对流传热;窑顶由拱顶改为平顶; 预热带前增加 610 个车位的干燥带。另外,还需增添各参数的自动记录和自动控
16、制(包括每个烧嘴的参数) 。除去对大、中型硅砖生产企业进行技术改造外,还应该加强科研工作。硅砖需求量减少,并不等于其消亡,也并非已无深入研究的价值。相反,有一些问题并没有得到最终的、正确的结论,如石英在各温度存在的形态和性质特征。我国的一些书籍中关于这方面的数据均引自国外资料,没有一个是我们研究的或验证过的。我国学者张绶庆等在 1957 年对“方石英二种晶型的转化温度为180270之间而无固定点”进行研究后认为,这与原料的类型、晶粒大小、矿化剂种类和第一次加热的温度有关,但未得出确切结论,他们认为应进一步研究。但以后未见有关继续研究的报导。这一课题对改善硅砖的热稳定性可能有所帮助。进行硅砖的改性研究,对拓宽硅砖的服务领域具有重要意义,如在保持硅砖的高荷重软化温度的前提下提高其热震稳定性的研究,就是一个很重要的课题。日本品川在 1986 年开发出一种热修用焦炉硅砖,其真密度为2.28 gcm-3,比一般焦炉硅砖热震稳定性好得多;1990 年乌克兰耐火材料研究院与前乌拉尔硅砖厂试
