Gạch siliclà vật liệu chịu lửa gốc axit-chủ yếu bao gồm tridymite, cristobalite và một lượng nhỏ thạch anh và thủy tinh còn sót lại. Chúng có khả năng chống chịu xỉ axit-mạnh nhưng dễ bị ăn mòn bởi xỉ kiềm và dễ bị ăn mòn bởi các oxit như Al₂O₃, K₂O và Na₂O. Độ khúc xạ dưới tải của chúng cao, dao động từ 1640 độ đến 1680 độ, gần với điểm nóng chảy của tridymite và cristobalite (lần lượt là 1670 độ và 1713 độ). Hạn chế lớn nhất của chúng là khả năng chống sốc nhiệt thấp, nhưng độ khúc xạ của chúng tương tự như độ khúc xạ khi chịu tải. Chúng có thể chịu được việc sử dụng lâu dài ở nhiệt độ cao mà không bị biến dạng, giúp đảm bảo độ bền kết cấu của các công trình xây trong quá trình vận hành.
Gạch silica chủ yếu được sử dụng trong các vách ngăn của buồng đốt và cacbon hóa của lò luyện cốc, cũng như trên mái hoặc vòm của hố ngâm, lò cao nóng, lò nung-axit mở và lò nung thủy tinh. Trong công nghệ luyện sắt, các công nghệ mới như khử trực tiếp, khử nóng chảy đang dần được chuyển hóa thành lực lượng sản xuất. Trong ngành công nghiệp luyện cốc, một loại "coke hình thành" được sản xuất mà không sử dụng lò luyện cốc đã được phát triển, có thể thay thế một phần than cốc truyền thống.
Gạch chịu lửa silic, giống như hầu hết các loại gạch chịu lửa thiêu kết, được sản xuất bằng quy trình bán khô và nung trong lò nung dạng hầm. Các vết nứt xảy ra trong quá trình sản xuất là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tỷ lệ phế liệu cao.
Các loại vết nứt trong gạch silic
Các vết nứt trên gạch silicon có thể được phân loại thành vết nứt bề mặt và vết nứt bên trong, vết nứt sau còn được gọi là vết nứt lớp. Các vết nứt bề mặt còn được phân loại thành vết nứt ngang, vết nứt dọc và vết nứt mạng. Gạch silic được sản xuất bằng phương pháp tạo hình bán{2}}ép khô-để tạo ra các khối màu xanh lá cây dày đặc. Các vết nứt xuất hiện dọc theo hướng của áp lực tác dụng lên vật xanh là các vết nứt ngang, trong khi các vết nứt xuất hiện vuông góc với hướng của áp lực là các vết nứt thẳng đứng. Các vết nứt mạng bao gồm một số vết nứt phân bố theo mô hình mạng nhện trên bề mặt gạch silica.
Thông thường, đối với gạch silica tiêu chuẩn, phần thân màu xanh lá cây được ép qua độ dày của nó. Quá trình hình thành gạch chịu lửa silica về cơ bản là một quá trình nén các hạt trong khoảng trống và loại bỏ không khí, từ đó tạo thành một khoảng trống dày đặc. Sau khi được-ép bằng máy, gạch có những ưu điểm như mật độ, độ bền cao, độ co khi sấy và nung tối thiểu cũng như kích thước sản phẩm dễ dàng kiểm soát. Tuy nhiên, nếu quá trình ép-máy được điều khiển không đúng cách, các vết nứt dạng tấm vuông góc với hướng áp suất có thể hình thành trong phôi trong quá trình điều áp. Do đó, các vết nứt dạng lớp, hay đơn giản là các lớp mỏng, trong gạch chịu lửa silic cũng là các vết nứt dọc.
Các lớp mỏng lớn có thể được phát hiện ngay sau khi gạch được hình thành hoặc sấy khô. Tuy nhiên, các lớp mỏng bên trong gạch chỉ lộ rõ sau khi nung, vì chúng tiếp tục giãn nở do ứng suất nhiệt trong quá trình nung. Gạch có vết nứt, đặc biệt là gạch cán mỏng, dễ bị vỡ, không sử dụng được và làm giảm năng suất sản phẩm gạch silic.
Các biện pháp chính để hình thành và ngăn ngừa vết nứt trong gạch silic
1. Máy ép
Các lớp mỏng trong gạch silica chủ yếu là do việc điều khiển quá trình ép-bằng máy không đúng cách và đôi khi được gọi là các vết nứt-được ép bằng máy. Nguyên liệu thô và phôi của gạch chịu lửa silica bao gồm ba pha vật chất: rắn, nước hoặc chất kết dính khác và không khí. Trong toàn bộ quá trình ép nén cơ học hoặc ép khuôn, lượng pha rắn và lỏng không thay đổi, trong khi lượng không khí trong phôi bị nén và giảm do tác động của áp suất, thể tích của phôi được nén cũng giảm tương ứng. Quá trình ép khuôn có thể được chia đại khái thành ba giai đoạn sau: (1) Trong giai đoạn đầu tiên, dưới tác động của áp suất, các hạt trong phôi bắt đầu di chuyển và cấu hình lại thành một khối dày đặc hơn. Đặc điểm của quá trình này là nén rõ ràng. Khi áp suất tăng đến một giá trị nhất định, nó sẽ chuyển sang giai đoạn thứ hai. (2) Ở giai đoạn thứ hai, các hạt trải qua biến dạng giòn và đàn hồi. Sau khi khoảng trống được nén đến một mức độ nhất định, việc nén thêm sẽ bị cản trở. Khi áp suất tăng và tác động đến ngoại lực khiến các hạt biến dạng trở lại, phôi sẽ được{12}}nén lại và mật độ của phôi cũng tăng theo. Giai đoạn này là giai đoạn mà quá trình nén và điều áp trở nên ngắn và thường xuyên. (3) Ở giai đoạn thứ ba, dưới áp suất giới hạn, mật độ tương đối của phôi về cơ bản ổn định và khó tăng. Việc ép khuôn gạch đã hoàn thành. Trong quá trình đúc nén, độ giãn nở chậm của vật xanh do hậu quả đàn hồi phải được kiểm soát ở mức dưới 2%. Nếu không làm như vậy thường sẽ dẫn đến việc sản phẩm bị loại bỏ trong quá trình ép. Nếu vật thể xanh hình thành "mật độ phân lớp" dọc theo hướng áp suất tác dụng, với chênh lệch mật độ vượt quá 2%, thì vết nứt phân lớp có thể xảy ra bên trong vật thể xanh. Điều này dẫn đến sự giãn nở nhiệt không đồng đều trong quá trình nung, dẫn đến ứng suất nhiệt đáng kể và hình thành các vết nứt dọc song song với các lớp mật độ, dẫn đến sản phẩm bị loại bỏ.
Trong quá trình đúc nén, áp suất được sử dụng để khắc phục ma sát bên trong giữa các hạt, ma sát bên ngoài giữa các hạt và thành khuôn và sự biến dạng của thân xanh ép. Khi khoảng cách từ đầu ép tăng lên, áp suất bên trong thân xanh giảm xuống.
Vì vậy, khi ép gạch silica, tốt nhất nên sử dụng khuôn ngắn có tỷ lệ khung hình nhỏ, thay vì khuôn cao có tỷ lệ khung hình lớn, để đảm bảo phân bổ áp suất đồng đều trong thân xanh. Đồng thời, một số chất hóa dẻo và chất hoạt động bề mặt nhất định được đưa vào phôi để giảm ma sát bên trong và tổn thất truyền áp suất; lớp hoàn thiện khuôn được cải thiện hoặc bôi trơn để giảm ma sát bên ngoài; việc nhấn hai mặt-được sử dụng để giảm tỷ lệ L/D của khoảng trống; và nhiều mức điều áp, bắt đầu từ nhẹ đến nặng, được sử dụng để ngăn chặn sự tích tụ áp suất quá mức trong phôi và loại bỏ các hậu quả đàn hồi. Những biện pháp này cải thiện tính đồng nhất của áp suất và mật độ trong khoảng trống. Điều này ngăn cản mật độ cao ở gần bề mặt chịu áp và mật độ thấp ở xa bề mặt chịu áp trong phôi gạch silic, do đó làm giảm sự hình thành mật độ lớp và vết nứt.
Ngoài ra, gạch silic còn được chuẩn bị bằng cách trộn cốt liệu, clanhke, bột nghiền bi, chất khoáng, rượu thải bột sulfite và chất làm dẻo. Cải thiện quá trình nhào phôi cũng có thể giúp tăng mật độ của phôi. Về mặt công nghệ trộn vật lý, chuyển động của vật liệu trong cùng một pha được gọi là trộn, chuyển động của vật liệu trong các pha khác nhau được gọi là khuấy và trộn các chất lỏng và chất rắn có độ nhớt cao-được gọi là nhào (nhào và trộn). Thông qua việc nhào trộn thích hợp, bột mịn có thể được phủ xung quanh các hạt lớn hơn, loại bỏ khí hiệu quả và tăng độ đặc của gạch, từ đó làm giảm độ xốp của gạch.
2. Quá trình nung
Quá trình thiêu kết gạch silic về cơ bản là sự biến đổi đa tinh thể của SiO2. Dưới tác dụng của các chất khoáng hóa, nguyên liệu thô silica được thiêu kết từ từ, về cơ bản chuyển thành tridymite và cristobalite, chỉ còn lại một lượng nhỏ thạch anh còn sót lại. Trong quá trình sử dụng, gạch chịu lửa silica có tổng thể tích giãn nở từ 1,5% đến 2,2% khi được nung nóng đến 1450 độ. Sự giãn nở dư này sẽ bịt kín các mối nối vữa, đảm bảo độ kín tốt và độ bền kết cấu trong khối xây gạch silic. Hơn nữa, sự biến đổi đa tinh thể này của SiO2 chỉ ra rằng gạch chịu lửa silic là trọng tâm của việc giám sát vật liệu chịu lửa trong giai đoạn nung lò ban đầu, với đặc điểm là tốc độ gia nhiệt chậm và đồng đều. Bởi vì sự biến đổi tinh thể của - và -cristobalite trong gạch chịu lửa silica đi kèm với hiệu ứng thể tích đáng kể trong phạm vi nhiệt độ 150-300 độ, nên cần đặc biệt cẩn thận để tăng từ từ nhiệt độ trong phạm vi này trong quá trình nung lò.
Những thay đổi vật lý và hóa học xảy ra trong quá trình nung gạch silic có thể được tóm tắt như sau:
① Độ ẩm còn sót lại trong gạch được loại bỏ ở nhiệt độ dưới 150 độ.
② Ca(OH)2 bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ 450-550 độ và hoàn toàn ở 550 độ. Lúc này, liên kết giữa các hạt gạch silic bị phá vỡ do tác dụng của CaO và các chất khác dẫn đến giảm độ bền và gạch dễ gãy.
③ Ở nhiệt độ 550-650 độ, gạch thạch anh biến thành thạch anh đơn, gây ra sự giãn nở thể tích.
④ Ở nhiệt độ 600-700 độ, phản ứng pha rắn xảy ra giữa CaO và SiO2, làm tăng độ bền của gạch.
⑤ Ở 800-1100 độ , phản ứng pha lỏng-xảy ra trong gạch, làm tăng nhanh độ bền của gạch. Bắt đầu từ 1100 độ, tốc độ chuyển đổi thạch anh tăng lên đáng kể và hình thành thạch anh mật độ thấp, gây ra sự giãn nở thể tích đáng kể.
⑥ Ở nhiệt độ 1300-1350 độ, do lượng tridymite và cristobalite tăng lên, trọng lượng riêng thực sự của vật xanh giảm và độ giãn nở thể tích tăng lên, có thể dẫn đến nứt.
⑦ Ở 1350-1470 độ, mức độ chuyển đổi thạch anh và độ giãn nở là rất lớn. Chỉ monoquartz, cristobalite siêu bền, chất khoáng hóa và tạp chất tương tác với nhau tạo thành pha lỏng và xâm nhập các hạt thạch anh để tạo thành các vết nứt khi cristobalite siêu bền được hình thành, điều này thúc đẩy sự hòa tan liên tục của monoquartz và cristobalite siêu bền trong pha lỏng hình thành, làm cho nó trở thành một sự tan chảy siêu bão hòa của silicon và oxy, và sau đó liên tục kết tinh từ sự tan chảy dưới dạng tridymite ổn định. Lúc này, độ nhớt của pha lỏng càng lớn thì tốc độ chuyển hóa gạch silica càng nhanh và khả năng xảy ra vết nứt trên thân gạch xanh càng lớn. Vì vậy, để ngăn gạch silica bị thay đổi dạng tinh thể trong quá trình nung, kèm theo sự thay đổi thể tích lớn dẫn đến hình thành các vết nứt, phải thực hiện các biện pháp xử lý sau:
(1) Kiểm soát tốc độ gia nhiệt của các phạm vi nhiệt độ nung khác nhau. Tốc độ gia nhiệt nên giảm xuống khi nhiệt độ dưới 600 độ. Tốc độ gia nhiệt có thể được tăng tốc khi nhiệt độ nằm trong khoảng từ 600 độ đến 1000 độ. Tốc độ gia nhiệt phải chậm khi nhiệt độ nằm trong khoảng từ 1100 độ đến 1300 độ. Khi nhiệt độ nằm trong khoảng từ 1300 độ đến nhiệt độ nung (1430 độ đến 1450 độ), tốc độ gia nhiệt phải chậm nhất trong quá trình nung. Khi gạch silic nung được làm nguội dưới 600 độ, đặc biệt là ở 300 độ, chúng phải được làm nguội từ từ. Điều này có thể đệm một cách hiệu quả sự thay đổi âm lượng của quá trình biến đổi tinh thể, làm cho hàm lượng tridymite và cristobalite cao hơn và tránh hình thành các vết nứt.
(2) Nên sử dụng môi trường khử trong giai đoạn nung-nhiệt độ cao, điều này có lợi cho quá trình khoáng hóa oxit sắt hóa trị-thấp và thúc đẩy quá trình sản xuất tridymite-quy mô lớn. Mặt khác, trong môi trường oxy hóa, đặc biệt là khi chất khoáng hóa không đủ, hầu hết thạch anh -được chuyển thành -cristobalite. Chuyển đổi này được gọi là "chuyển đổi khô". Trong quá trình biến đổi khô, do thân gạch giãn nở thể tích không đều và thiếu ứng suất đệm pha lỏng, cấu trúc sản phẩm sẽ bị lỏng lẻo và nứt. Đồng thời, cần tiến hành cách nhiệt thích hợp ở các giai đoạn nhiệt độ khác nhau của quá trình nung gạch silic để đảm bảo gạch silic có thành phần pha hợp lý và đáp ứng yêu cầu sử dụng.
(3) Cải thiện hệ thống tải bán thành phẩm để giảm khả năng bị nứt. Các vết nứt ngang trong gạch chịu lửa silica, nghĩa là các vết nứt song song với hướng áp suất của sản phẩm, thường là do các bộ phận khác nhau của sản phẩm bị nung nóng không đều trong quá trình nung. Chúng chủ yếu xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc với lửa-bên ngoài đống gạch, đặc biệt là bề mặt của sản phẩm trên cùng. Các vết nứt lưới trên bề mặt gạch chịu lửa silica, ngoài sự không đồng đều hiển vi của thân xanh do nhào trộn không đều hoặc thay đổi nguyên liệu thô, thường là do sản phẩm bị nung ở nhiệt độ quá cao với biến động lớn. Khi xếp hàng, gạch silicon đặc biệt cần được đặt bên trong xe lò, và gạch thông thường tiêu chuẩn cần được đặt bên ngoài xe lò; các phần nhô ra của gạch có hình dạng-đặc biệt hoặc các phần dễ bị nứt nên được đặt vào trong; phía trên toa lò nên phủ một số viên gạch mỏng để tránh ngọn lửa tác động trực tiếp,… Nếu không sẽ xuất hiện nhiều vết nứt hơn.
Các vết nứt là yếu tố chính ảnh hưởng đến năng suất và hiệu suất của gạch silicon. Nắm vững quy trình đúc và nung ép là chìa khóa để ngăn ngừa các vết nứt trên gạch silic. Sự chuyển đổi lý thuyết và thực tế của nguyên liệu thô silica là khác nhau và lịch trình nung phải được điều chỉnh theo thời gian thực dựa trên những thay đổi về nguyên liệu thô, loại gạch và các yếu tố khác. Việc chuẩn bị và chất lượng phôi gạch silica là những yếu tố quan trọng, thậm chí là then chốt. Chỉ bằng cách kiểm soát chặt chẽ từng bước của quy trình, gạch silic-hiệu suất cao mới có thể được sản xuất một cách hiệu quả và tiêu thụ năng lượng thấp.
