自英國(guó)人W・W・Young于1822年用英國(guó)南威爾士的地那斯硅石制成硅磚開(kāi)始,硅磚已有177年的歷史了。從1864年Martin用硅磚砌筑酸性平爐起,硅磚在冶金工業(yè)中曾經(jīng)顯赫一時(shí),很長(zhǎng)時(shí)間它在煉鋼廠的耐火材料消耗中保持首要地位。我國(guó)建國(guó)前硅磚的年生產(chǎn)能力大約為3～4萬(wàn)t,建國(guó)后硅磚產(chǎn)量1955年為6.3萬(wàn)t,占耐火材料總產(chǎn)量的12%;1960年曾達(dá)到39.73萬(wàn)t,占耐火材料總產(chǎn)量的5%。然而,隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展,平爐基本上被淘汰,電爐頂用硅磚已被高鋁質(zhì)耐火材料或水冷爐頂所替代,至此硅磚幾乎退出了煉鋼領(lǐng)域,主要的服務(wù)對(duì)象是焦?fàn)t、玻璃熔窯和大型高爐的熱風(fēng)爐。因而硅磚的消耗量大減,20世紀(jì)70年代以來(lái)每年大約消耗十幾萬(wàn)t,占耐火材料總量的1%～3%。本文對(duì)五十年來(lái)我國(guó)硅磚生產(chǎn)的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了回顧和總結(jié),并針對(duì)目前硅磚生產(chǎn)企業(yè)存在的問(wèn)題,發(fā)表了一些看法。
1 我國(guó)硅磚生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步
解放初期耐火材料生產(chǎn)裝備十分落后�！耙晃濉庇�(jì)劃期間,鞍鋼耐火材料廠硅磚車間于1954年改造后投產(chǎn),成型及以前的諸工序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)械化,隧道干燥器取代了火炕,但燒成設(shè)備仍用原來(lái)的倒焰窯。1960年鞍鋼耐火材料廠自行設(shè)計(jì)并施工的168m隧道窯投入生產(chǎn)。在“二五”期間,又新建了洛陽(yáng)耐火材料廠,其中硅磚車間吸收了鞍鋼耐火材料廠改造的經(jīng)驗(yàn)并引進(jìn)了前蘇聯(lián)在50年代初設(shè)計(jì)的157.5m隧道窯。目前,國(guó)有企業(yè)大多淘汰了倒焰窯或僅留較小的能力以生產(chǎn)特大型制品。成型設(shè)備主要是摩擦壓磚機(jī)和振動(dòng)成型機(jī),洛耐硅磚車間在1987年引進(jìn)了日本的750t復(fù)合式自動(dòng)壓磚機(jī)。五十年來(lái),從總的工藝裝備來(lái)看有了很大進(jìn)步,為提高和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量提供了較好條件。在改進(jìn)工藝裝備的同時(shí),硅磚的制造技術(shù)不斷取得進(jìn)展。在50年代初期,提高硅磚平爐頂?shù)膲勖钱?dāng)時(shí)的迫切任務(wù)。前東北科學(xué)院和以后的中國(guó)科學(xué)院金屬研究所對(duì)硅磚生產(chǎn)的基本理論和原料的研究取得了很多成果,如:東北、華北地區(qū)13種硅石基本性質(zhì)的研究,硅磚顆粒組成的研究,礦化劑的研究,高硅質(zhì)硅磚的工藝試制,高硅質(zhì)硅磚燒成過(guò)程中的物理化學(xué)變化等等。鞍鋼耐火材料廠于1951年成功地用脈石英制成平爐頂硅磚,次年又試制了高硅質(zhì)平爐頂硅磚,使鞍鋼150t平爐頂壽命由幾十爐提高到180多爐。在試制和生產(chǎn)平爐頂硅磚的同時(shí),鞍鋼耐火材料廠還擔(dān)負(fù)著試制焦?fàn)t硅磚的任務(wù)。1954～1957年,本鋼耐火材料廠、太鋼耐火材料廠和撫鋼耐火材料廠都先后進(jìn)行了焦?fàn)t硅磚的研制,取得了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)。1964年洛耐進(jìn)行了大型玻璃窯硅磚的試制并在很短的時(shí)間內(nèi)拿出了質(zhì)量符合用戶要求的產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上,洛耐又采取了諸多技術(shù)措施,從而全面提高了玻璃窯硅磚的質(zhì)量,1983年獲國(guó)家銀質(zhì)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)該廠的玻璃窯用硅磚產(chǎn)量約占全國(guó)總量的一半。
從我國(guó)經(jīng)濟(jì)恢復(fù)時(shí)期直至寶鋼建設(shè)前,冶金行業(yè)未曾用過(guò)國(guó)外的硅磚。70年代后期,在鋼鐵以及建材、電子等行業(yè)從日本、西德、美國(guó)引進(jìn)新技術(shù)裝備的同時(shí)也引進(jìn)了大批量的硅磚,其中包括焦?fàn)t、玻璃熔窯、高爐的熱風(fēng)爐用整套硅磚。這些磚除極少數(shù)在外觀上低于我國(guó)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)外,其它在理化性能、尺寸偏差和包裝等方面均較我國(guó)為好。為了使我國(guó)先進(jìn)高溫技術(shù)所需的耐火材料國(guó)產(chǎn)化,耐火材料界開(kāi)始了行業(yè)性攻關(guān)。期間除冷水江耐火材料廠從美國(guó)引進(jìn)制造優(yōu)質(zhì)硅磚的軟件、洛陽(yáng)耐火材料廠從日本引進(jìn)一臺(tái)750t復(fù)合式壓磚機(jī)和焦作輕工耐火材料廠從美國(guó)引進(jìn)二座梭式窯外,所有的裝備更新和工藝改進(jìn)均靠國(guó)內(nèi)解決。當(dāng)時(shí)我國(guó)硅磚質(zhì)量與國(guó)外的差距主要是:真密度偏高、尺寸偏差大、玻璃窯頂用硅磚純度低及少數(shù)企業(yè)的大磚內(nèi)部有缺陷。在80年代初、中期,生產(chǎn)硅磚的主要企業(yè)先后都實(shí)現(xiàn)了攻關(guān)目標(biāo),達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。寶鋼二、三期工程所需的焦?fàn)t硅磚和高爐熱風(fēng)爐硅磚全部由洛耐、鞍鋼、山東二耐供應(yīng)。大型浮法玻璃窯采取保溫節(jié)能措施后,絕大多數(shù)都使用國(guó)產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)玻璃窯硅磚�，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)各行業(yè)高溫窯爐所需的各類硅磚國(guó)內(nèi)皆可滿足,而且近十年來(lái)還出口至美國(guó)、日本、意大利等一些發(fā)達(dá)國(guó)家。從表1和表2所示的我國(guó)不同時(shí)期硅磚產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)值的變化,可以看出硅磚生產(chǎn)的進(jìn)步情況。
五十年來(lái),我國(guó)硅磚生產(chǎn)走過(guò)的是一個(gè)艱難和曲折的過(guò)程,首先遇到的問(wèn)題是合格率低。在提高合格率的工作中,鞍鋼耐火材料廠通過(guò)測(cè)量磚坯各溫度階段的膨脹率和在倒焰窯頂上安裝膨脹計(jì),找出產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵階段,制訂了高溫階段(1280℃以上)的升溫速率和燒成溫度(由1420℃降至1360℃)。太鋼耐火材料廠的燒成溫度從1430℃降至1380℃,本鋼耐火材料廠1956年以后的燒成溫度為1365℃。與此同時(shí),各廠在顆粒組成,礦化劑等方面大多采用細(xì)粒度、高堿度的方針。長(zhǎng)期困擾人們的合格率低的問(wèn)題初步得到解決,但是硅磚的真密度一直在合格線的上下徘徊,內(nèi)在質(zhì)量和尺寸偏差不穩(wěn)定。直到改革開(kāi)放后大量引進(jìn)國(guó)外硅磚,主要的硅磚生產(chǎn)廠家才正視與國(guó)外的差距,積極探索全面提高硅磚質(zhì)量的道路,原料選擇、顆粒級(jí)配、熱工制度等均有較大變化,使我國(guó)硅磚的質(zhì)量躍上了一個(gè)新水平。
2 硅磚的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)
總結(jié)我們五十多年來(lái)生產(chǎn)硅磚的基本經(jīng)驗(yàn),主要有以下幾個(gè)方面:
(1)原料是基礎(chǔ)。原料應(yīng)品質(zhì)穩(wěn)定,燒成時(shí)不易松散且易于控制,還應(yīng)有相當(dāng)?shù)膬?chǔ)量便于較長(zhǎng)時(shí)期使用。選擇適當(dāng)?shù)脑?可使制造工藝簡(jiǎn)化,操作方便,質(zhì)量穩(wěn)定,成本降低。用不同性質(zhì)的二種或二種以上的混合硅石制磚逐漸被人們采用,如洛耐、山東二耐、冷水江耐火材料廠等都驗(yàn)證了用混合硅石比用單一硅石優(yōu)越,日本的硅磚也是采用二種以上甚至四種原料配合使用。用混合硅石制硅有以下幾個(gè)好處:一是可調(diào)整化學(xué)成分;二是可調(diào)整顆粒組成,經(jīng)濟(jì)地達(dá)到合理級(jí)配;三是易于控制磚坯在燒成時(shí)的膨脹和晶型轉(zhuǎn)化(每種硅石加熱時(shí)的膨脹曲線不完全一致,利用這一差別可以拉長(zhǎng)產(chǎn)生膨脹的溫度區(qū)段,使膨脹得以分散。：四是降低成本。
(2)粒度級(jí)配要合理。硅磚的粒度級(jí)配需考慮二個(gè)方面的問(wèn)題:一是合格率,二是有利于石英的晶型轉(zhuǎn)化,達(dá)到預(yù)期的礦物組成。現(xiàn)在大多數(shù)硅磚廠采用較小的臨界粒度2～2.5mm,最大不超過(guò)3mm,還有相當(dāng)比例的細(xì)粉。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的研究報(bào)告稱,用再結(jié)晶、致密、中速轉(zhuǎn)化硅石,其臨界粒度大于3mm時(shí),燒成裂紋嚴(yán)重。
(3)重視礦化劑。石灰既是結(jié)合劑又是礦化劑,不論是以石灰乳還是以Ca(OH)2干粉的形式加入,都是制造硅磚不可缺少的。它既能增加成型后磚坯的強(qiáng)度,也可在燒成低溫階段(600～700℃)與SiO2反應(yīng)而使磚坯強(qiáng)度有所增加。在1000℃以后生成的假硅灰石可與其它礦化劑生成液相,使石英向鱗石英轉(zhuǎn)化。除石灰外,根據(jù)硅石的化學(xué)成分還可采用軋鋼屑、鋼渣、含錳或含堿金屬氧化物的礦物作礦化劑。
(4)混練應(yīng)具有捏合作用。泥料的制備不僅要混合均勻,而且應(yīng)具有良好的捏合性,這對(duì)提高磚坯的密度至關(guān)重要。濕碾機(jī)混練的泥料符合以上要求,但必須保證混練時(shí)間。
(5)制坯機(jī)械化�，F(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)硅磚的大、中型企業(yè)已配備了高、低沖程和大、小噸位齊全的摩擦壓磚機(jī)和振動(dòng)成型機(jī),全部磚坯均可機(jī)械成型。
(6)磚坯低溫干燥。鞍鋼、本鋼、洛耐都曾因干燥溫度過(guò)高,降低了硅磚的合格率,從而引起對(duì)低溫干燥的重視。
(7)燒成是關(guān)鍵。要使硅磚的真密度低而且穩(wěn)定,尺寸偏差小,必須采取適當(dāng)高溫、窯溫均勻、充分轉(zhuǎn)化的方針。
對(duì)于硅磚生產(chǎn)的基本經(jīng)驗(yàn),可總結(jié)為這樣一句話:原料是基礎(chǔ),裝備是條件,工藝是保證,燒成是關(guān)鍵。
3 目前硅磚生產(chǎn)中應(yīng)重視的問(wèn)題
(1)合格率偏低。1997～1998年主要生產(chǎn)廠家的合格率大約為70%～80%。有的廠家是靠犧牲合格率來(lái)保證交貨的,廢品堆集如山,浪費(fèi)驚人。對(duì)于大磚和形狀特殊的磚無(wú)相應(yīng)的工藝規(guī)定。
(2)理化性能雖合格,但標(biāo)準(zhǔn)偏差值大。
(3)有的企業(yè)制品的尺寸偏差仍然不小,需要靠加工后出廠。
(4)制品的礦物組成不十分理想,還未引起制造者的足夠重視。寶鋼一期工程引進(jìn)的焦?fàn)t硅磚,鱗石英為75%～80%,殘余石英為0～0.5%;北京玻璃廠引進(jìn)德國(guó)的硅磚,鱗石英35%～40%,方石英55%～60%,殘余石英微量,液相5%。有的廠家尚不能完全達(dá)到上述水平。
(5)有的企業(yè)制品內(nèi)部有缺陷,如層狀組織、內(nèi)部裂紋等。
上述問(wèn)題的存在,是我們的裝備水平、技術(shù)水平、管理水平和勞動(dòng)力素質(zhì)不高的綜合反映。硅磚生產(chǎn)流程長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多、單體設(shè)備多(如壓磚機(jī)群),不能形成很緊湊的連續(xù)生產(chǎn)線,有的工序基本是靠體力勞動(dòng)。當(dāng)前,企業(yè)難有較大的投入進(jìn)行技術(shù)改造,但是可以針對(duì)存在的質(zhì)量問(wèn)題發(fā)動(dòng)職工進(jìn)行技術(shù)革新,如實(shí)行顆粒多級(jí)配料,壓磚機(jī)雙面加壓等,花錢不多而且可以收到很好效果。此外,切實(shí)加強(qiáng)質(zhì)量管理,全面提高員工的素質(zhì),也是不容忽視的。
4 展望
硅磚市場(chǎng)將逐漸萎縮。在煉焦工業(yè),已研制出一種不用焦?fàn)t生產(chǎn)的“成型焦炭”,可以替代一部分傳統(tǒng)焦炭。在煉鐵技術(shù)方面,直接還原與融熔還原煉鐵新技術(shù)正在逐步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。隨著這些新技術(shù)的推廣,焦炭需要量將逐步減少。近來(lái)國(guó)外成套焦?fàn)t磚減少而補(bǔ)修用焦?fàn)t磚增多,可能有二個(gè)主要原因:一是高爐噴煤粉量增加,降低了焦炭需求量;二是新的煉鐵技術(shù)在逐步推廣應(yīng)用,焦?fàn)t運(yùn)行的座數(shù)將逐漸減少,對(duì)現(xiàn)有焦?fàn)t盡量延長(zhǎng)其壽命,以小修代替大修。但是應(yīng)該看到,即便是在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,新技術(shù)替代舊技術(shù)需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)渡時(shí)期。期間,焦?fàn)t的大修和補(bǔ)修所需的硅磚仍會(huì)維持相當(dāng)水平。目前,國(guó)內(nèi)外的玻璃窯用硅磚除蓄熱室格子磚和部分胸墻磚被其他磚替代外,在熔爐頂部,硅磚仍保持其優(yōu)勢(shì)地位