Mattoni di silicesono materiali refrattari a base acida-composti principalmente da tridimite, cristobalite e piccole quantità di quarzo e vetro residui. Offrono una forte resistenza alle scorie a base acida-, ma sono suscettibili alla corrosione da parte delle scorie alcaline e vulnerabili alla corrosione da parte di ossidi come Al₂O₃, K₂O e Na₂O. La loro refrattarietà sotto carico è elevata, variando da 1640 gradi a 1680 gradi, vicino ai punti di fusione della tridimite e della cristobalite (rispettivamente 1670 gradi e 1713 gradi). Il loro più grande svantaggio è la bassa resistenza agli shock termici, ma la loro refrattarietà è simile alla refrattarietà sotto carico. Resistono all'uso a lungo termine-a temperature elevate senza deformazioni, contribuendo a garantire la resistenza strutturale delle strutture in muratura durante il funzionamento.
I mattoni di silice vengono utilizzati principalmente nelle pareti divisorie delle camere di carbonizzazione e di combustione dei forni da coke, nonché nei tetti o nelle volte di pozzi di immersione, altiforni caldi, forni a focolare aperto-acidi e forni per vetro. Nella tecnologia della produzione del ferro, nuove tecnologie come la riduzione diretta e la riduzione fusa si stanno gradualmente trasformando in forze produttive. Nell'industria del coke è stato sviluppato un “formed coke” prodotto senza l'utilizzo della cokeria, che può sostituire parzialmente il coke tradizionale.
I mattoni refrattari in silice, come la maggior parte dei mattoni refrattari sinterizzati, vengono prodotti utilizzando un processo semi-secco e cotti in forni a tunnel. Le crepe che si verificano durante il processo di produzione sono uno dei motivi principali dell'elevato tasso di scarto.
Tipi di crepe nei mattoni di silice
Le crepe nei mattoni di silicio possono essere classificate come crepe superficiali e crepe interne, queste ultime note anche come crepe sullo strato. Le fessure superficiali sono ulteriormente classificate come fessure trasversali, fessure longitudinali e fessure della rete. I mattoni di silice vengono prodotti utilizzando un metodo di formatura a semi-pressa a secco-per creare corpi verdi densi. Le crepe che si verificano lungo la direzione della pressione applicata al corpo verde sono crepe trasversali, mentre le crepe che si verificano perpendicolarmente alla direzione della pressione sono crepe verticali. Le crepe della rete sono composte da diverse crepe distribuite a ragnatela sulla superficie di un mattone di silice.
Tipicamente, per un mattone di silice standard, il corpo verde viene pressato attraverso il suo spessore. Il processo di formatura dei mattoni refrattari di silice è essenzialmente un processo di compattazione delle particelle all'interno del pezzo grezzo e di rimozione dell'aria, formando così un pezzo grezzo denso. Dopo essere stati pressati a macchina-, i mattoni presentano vantaggi quali elevata densità, resistenza, ritiro minimo in seguito all'essiccazione e alla cottura e dimensioni del prodotto facilmente controllabili. Tuttavia, se il processo di pressatura della macchina-viene controllato in modo improprio, durante il processo di pressurizzazione potrebbero formarsi nel pezzo grezzo delle crepe lamellari perpendicolari alla direzione della pressione. Pertanto, anche le fessurazioni lamellari, o semplicemente le laminazioni, all'interno dei mattoni refrattari di silice sono fessurazioni longitudinali.
Grandi laminazioni possono essere rilevate immediatamente dopo la formazione o l'essiccazione dei mattoni. Tuttavia, piccole laminazioni all'interno dei mattoni diventano evidenti solo dopo la cottura, poiché continuano ad espandersi a causa delle sollecitazioni termiche durante la cottura. I mattoni contenenti crepe, in particolare le laminazioni, sono soggetti a rotture, rendendoli inutilizzabili e riducendo la resa dei prodotti in mattoni di silice.
Misure chiave per la formazione e la prevenzione di crepe nei mattoni di silice
1. Pressatura a macchina
Le laminazioni nei mattoni di silice sono causate principalmente da un controllo improprio del processo di pressatura a macchina-e vengono talvolta definite crepe da pressatura a macchina-. Le materie prime e i grezzi dei mattoni refrattari di silice sono composti da tre fasi di materia: solida, acqua o altri leganti e aria. Durante l'intero processo di stampaggio a compressione meccanica o pressatura a stampo, la quantità di fasi solide e liquide non cambia, mentre la quantità di aria nel pezzo grezzo viene compressa e ridotta a causa dell'azione della pressione, e anche il volume del pezzo grezzo compresso viene ridotto di conseguenza. Il processo di pressatura può essere suddiviso approssimativamente nelle tre fasi seguenti: (1) Nella prima fase, sotto l'azione della pressione, le particelle nel pezzo grezzo iniziano a muoversi e a riconfigurarsi in una pila più densa. La caratteristica di questo processo è l'evidente compressione. Quando la pressione aumenta fino a un certo valore, entra nella seconda fase. (2) Nella seconda fase, le particelle subiscono una deformazione fragile ed elastica. Dopo che il pezzo grezzo è stato compresso in una certa misura, un'ulteriore compressione viene ostacolata. Quando la pressione aumenta e raggiunge la forza esterna che provoca una nuova deformazione delle particelle, il pezzo grezzo viene ri-compresso e la densità del pezzo grezzo aumenta di conseguenza. Questa fase è una fase in cui la compressione e la pressurizzazione diventano brevi e frequenti. (3) Nella terza fase, sotto la pressione limite, la densità relativa del pezzo grezzo è sostanzialmente stabile e difficile da aumentare. La pressatura del mattone grezzo è completata. Durante il processo di stampaggio a compressione, l'espansione ritardata del corpo verde a causa degli effetti elastici deve essere controllata a meno del 2%. In caso contrario, spesso si verificherà il rifiuto del prodotto durante il processo di pressatura. Se il corpo verde forma una "densità stratificata" lungo la direzione della pressione applicata, con una differenza di densità superiore al 2%, è probabile che si verifichino crepe stratificate all'interno del corpo verde. Ciò porta ad una dilatazione termica non uniforme durante la cottura, con conseguente notevole stress termico e formazione di fessure longitudinali parallele agli strati di densità, con conseguente scarto del prodotto.
Durante lo stampaggio a compressione, la pressione viene utilizzata per superare l'attrito interno tra le particelle, l'attrito esterno tra le particelle e la parete dello stampo e la deformazione del corpo verde pressato. All'aumentare della distanza dalla testa pressante diminuisce la pressione interna del corpo verde.
Pertanto, quando si pressano i mattoni di silice, è meglio utilizzare stampi corti con proporzioni ridotte, piuttosto che stampi alti con proporzioni grandi, per garantire una distribuzione uniforme della pressione all'interno del corpo verde. Allo stesso tempo, nel grezzo vengono introdotti alcuni plastificanti e tensioattivi per ridurre gli attriti interni e le perdite di trasmissione della pressione; le finiture dello stampo vengono migliorate o lubrificate per ridurre l'attrito esterno; la pressatura su entrambi i lati-viene utilizzata per ridurre il rapporto L/D del pezzo grezzo; e vengono impiegate pressurizzazioni multiple, iniziando con quella leggera e poi con quella pesante, per prevenire un eccessivo accumulo di pressione all'interno del grezzo ed eliminare gli effetti collaterali elastici. Questi accorgimenti migliorano l'uniformità di pressione e densità all'interno del grezzo. Ciò impedisce un'elevata densità vicino alla superficie di pressione e una bassa densità lontano dalla superficie di pressione all'interno del mattone grezzo di silice, riducendo così la formazione di densità dello strato e crepe.
Inoltre, i pezzi grezzi di mattoni di silice vengono preparati mescolando aggregato, clinker, polvere di mulino a palle, mineralizzante, liquido di scarto di pasta di solfito e plastificante. Anche il miglioramento del processo di impasto del grezzo può aiutare ad aumentare la densità del grezzo. In termini di tecnologia di miscelazione fisica, il movimento dei materiali nella stessa fase è chiamato miscelazione, il movimento dei materiali in fasi diverse è chiamato agitazione e la miscelazione di liquidi e solidi ad alta-viscosità è chiamata impastamento (impasto e miscelazione). Attraverso un corretto impasto, la polvere fine può essere rivestita attorno a particelle più grandi, rimuovendo efficacemente i gas e aumentando la densificazione del mattone, riducendo così la porosità del mattone.
2. Processo di cottura
La sinterizzazione dei mattoni di silice è essenzialmente una trasformazione policristallina di SiO2. Sotto l'azione dei mineralizzatori, la materia prima silicea viene lentamente sinterizzata, trasformandosi essenzialmente in tridimite e cristobalite, con solo una piccola quantità di quarzo residuo. Durante l'uso, i mattoni refrattari di silice subiscono un'espansione del volume totale dall'1,5% al 2,2% quando riscaldati a 1450 gradi. Questa espansione residua sigilla i giunti di malta, garantendo una buona tenuta e resistenza strutturale nelle murature in mattoni di silice. Inoltre, questa trasformazione policristallina di SiO2 impone che i mattoni refrattari di silice siano al centro del monitoraggio del materiale refrattario durante la fase iniziale di cottura del forno, con una velocità di riscaldamento lenta e uniforme come caratteristica. Poiché la trasformazione cristallina di - e -cristobalite nei mattoni refrattari di silice è accompagnata da un significativo effetto volumetrico nell'intervallo di temperatura di 150-300 gradi, è necessario prestare particolare attenzione ad aumentare lentamente la temperatura all'interno di questo intervallo durante la cottura in forno.
I cambiamenti fisici e chimici che avvengono durante la cottura dei mattoni di silice possono essere così riassunti:
① L'umidità residua nei mattoni viene rimossa al di sotto dei 150 gradi.
② Ca(OH)2 inizia a decomporsi tra i 450 e i 550 gradi e si completa entro i 550 gradi. A questo punto, i legami tra le particelle del mattone di silice vengono rotti dall'azione del CaO e di altre sostanze, determinando una diminuzione della resistenza e un mattone fragile.
③ A 550-650 gradi, i mattoni di quarzo si trasformano in monoquarzo, provocando l'espansione del volume.
④ A 600-700 gradi, avviene una reazione in fase solida tra CaO e SiO2, aumentando la resistenza del mattone.
⑤ A 800-1100 gradi, nei mattoni si verifica una reazione di fase liquida-, che ne aumenta rapidamente la resistenza. A partire da 1100 gradi, il tasso di conversione del quarzo aumenta in modo significativo e si forma quarzo a bassa densità, causando una significativa espansione del volume.
⑥ A 1300-1350 gradi, a causa dell'aumento della quantità di tridimite e cristobalite, il vero peso specifico del corpo verde diminuisce e l'espansione del volume aumenta, il che può portare a fessurazioni.
⑦ A 1350-1470 gradi, il grado di conversione del quarzo e la conseguente espansione sono molto grandi. Solo il monoquarzo, la cristobalite metastabile, i mineralizzatori e le impurità interagiscono per formare una fase liquida e invadono le particelle di quarzo per formare crepe quando si forma la cristobalite metastabile, che promuove la continua dissoluzione del monoquarzo e della cristobalite metastabile nella fase liquida formata, rendendola una fusione sovrasatura di silicio e ossigeno, e quindi cristallizza continuamente dalla fusione sotto forma di tridimite stabile. A questo punto, maggiore è la viscosità della fase liquida, maggiore è la velocità di conversione del mattone di silice e maggiore è la possibilità di crepe nel corpo verde del mattone. Pertanto, per evitare che il mattone di silice subisca cambiamenti della forma cristallina durante il processo di cottura, accompagnati da grandi cambiamenti di volume che portino alla formazione di crepe, devono essere adottate le seguenti misure di processo:
(1) Controllare la velocità di riscaldamento di diversi intervalli di temperatura di cottura. La velocità di riscaldamento dovrebbe essere rallentata quando la temperatura è inferiore a 600 gradi. La velocità di riscaldamento può essere accelerata quando la temperatura è compresa tra 600 gradi e 1000 gradi. La velocità di riscaldamento dovrebbe essere lenta quando la temperatura è compresa tra 1100 gradi e 1300 gradi. Quando la temperatura è compresa tra 1300 gradi e la temperatura di cottura (da 1430 gradi a 1450 gradi), la velocità di riscaldamento dovrebbe essere la più lenta durante il processo di cottura. Quando i mattoni di silice cotti vengono raffreddati al di sotto di 600 gradi, soprattutto a 300 gradi, dovrebbero essere raffreddati lentamente. Ciò può tamponare efficacemente il cambiamento di volume della trasformazione dei cristalli, aumentando il contenuto di tridimite e cristobalite ed evitando la formazione di crepe.
(2) Durante la fase di cottura ad alta-temperatura dovrebbe essere utilizzata un'atmosfera riducente, che favorisce la mineralizzazione dell'ossido di ferro a bassa-valenza e promuove la produzione su larga-scala di tridimite. Altrimenti, in un'atmosfera ossidante, soprattutto quando il mineralizzatore è insufficiente, la maggior parte del -quarzo viene convertita in -cristobalite. Questa conversione è chiamata "conversione a secco". Durante la conversione a secco, a causa dell'espansione irregolare del volume del corpo del mattone e della mancanza di stress tampone in fase liquida, la struttura del prodotto si allenterà e si spezzerà. Allo stesso tempo, è necessario effettuare un adeguato isolamento a diversi stadi di temperatura della cottura dei mattoni di silice per garantire che i mattoni di silice abbiano una composizione di fase ragionevole e soddisfino i requisiti di utilizzo.
(3) Migliorare il sistema di caricamento dei prodotti semi-finiti per ridurre la probabilità di crepe. Le crepe trasversali nei mattoni refrattari di silice, cioè parallele alla direzione di pressione del prodotto, sono solitamente causate dal riscaldamento non uniforme delle varie parti del prodotto durante la cottura. Appaiono principalmente sulla superficie-esposta al fuoco all'esterno della pila di mattoni, in particolare sulla superficie del prodotto superiore. Le crepe sulla superficie dei mattoni refrattari di silice, oltre alle microscopiche irregolarità del corpo verde stesso dovute a un impasto irregolare o al cambiamento delle materie prime, sono solitamente causate dal riscaldamento del prodotto a temperature troppo elevate con ampie fluttuazioni. Durante il caricamento, i mattoni speciali in silicio devono essere posizionati all'interno del vagone del forno, mentre i mattoni ordinari standard devono essere posizionati all'esterno del vagone del forno; le parti sporgenti dei mattoni a forma speciale-o parti soggette a crepe devono essere posizionate verso l'interno; la parte superiore del carro del forno deve essere ricoperta con alcuni mattoni sottili per evitare l'impatto diretto della fiamma, ecc. Altrimenti si verificheranno più crepe.
Le crepe sono un fattore importante che influisce sulla resa e sulle prestazioni dei mattoni di silicio. Padroneggiare i processi di stampaggio e cottura è fondamentale per prevenire crepe nei mattoni di silice. Le conversioni teoriche ed effettive delle materie prime di silice variano e il programma di cottura deve essere modificato in tempo reale in base ai cambiamenti delle materie prime, del tipo di mattone e di altri fattori. La preparazione e la qualità dei grezzi di mattoni di silice sono fattori importanti, se non critici. Solo controllando rigorosamente ogni fase del processo è possibile produrre-mattoni di silice ad alte prestazioni in modo efficiente e con un basso consumo energetico.
