高鋁磚產(chǎn)生裂紋的原因簡析及改善措施

張成庫，李慧雯，邵紅

（山東耐材集團魯耐窯業(yè)有限公司，山東淄博 255200）

生產(chǎn)技術(shù)

高鋁磚產(chǎn)生裂紋的原因簡析及改善措施

張成庫，李慧雯，邵紅

（山東耐材集團魯耐窯業(yè)有限公司，山東淄博 255200）

分析了原料、泥料、成型、干燥、裝車、燒成等方面可能導(dǎo)致高鋁磚裂紋的原因以及相應(yīng)的改善措施，高鋁磚產(chǎn)生裂紋的原因是多方面的，可能有一種或者幾種因素共同起作用，應(yīng)結(jié)合實際采取針對措施，減少以致消除其危害，提高高鋁磚產(chǎn)品的合格率。

高鋁磚；裂紋；二次莫來石化；壓裂

1 前言

高鋁磚是Al2O3含量在48%以上的硅酸鋁質(zhì)制品［1］，按照GB/T 2988—2004《高鋁磚》分類，高鋁磚按理化指標分為：LZ80、LZ75、LZ65、LZ55、LZ48共5個牌號［2］，常用于砌筑高爐、熱風(fēng)爐、電爐爐頂、鼓風(fēng)爐、反射爐、水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯、玻璃熔窯的蓄熱室和風(fēng)火隔墻［3］。在高鋁磚的生產(chǎn)過程中，因為產(chǎn)品表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋而造成的廢品是高鋁磚的主要廢品類型。在生產(chǎn)過程中，就要根據(jù)造成高鋁磚裂紋的各種因素進行調(diào)整改善，來降低高鋁磚裂紋發(fā)生的概率，提高高鋁磚產(chǎn)品的合格率。

2 裂紋原因分析及改善措施

2.1 原料原因及改善措施

生產(chǎn)高鋁磚用的主要原料高鋁礬土熟料的雜質(zhì)（特別是K2O和Na2O）和燒結(jié)程度會使制品表面產(chǎn)生裂紋。燒結(jié)不良的熟料在制品燒成過程中繼續(xù)收縮且不均勻，引起制品開裂和產(chǎn)生裂紋；同時，在制品的燒成過程中，燒結(jié)不良的熟料本身的二次莫來石化（3α-Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2，1 200～1 500℃）仍在繼續(xù)進行，二次莫來石化主要是指高鋁磚生產(chǎn)中結(jié)合黏土的SiO2與高鋁熟料的Al2O3反應(yīng)生成莫來石，并伴隨體積膨脹（約10%），造成制品收縮不一致，導(dǎo)致了制品表面裂紋數(shù)量的增多和開裂程度的加大。

改善措施：高鋁磚的主要礦物組成為莫來石、剛玉和玻璃相。隨著制品中Al2O3含量的增加，莫來石和剛玉相的數(shù)量也增加，玻璃相相應(yīng)減少，制品的耐火度和高溫性能隨之提高。實際生產(chǎn)高鋁磚時，要注意對所用的高鋁礬土熟料的雜質(zhì)含量進行控制，按照YB/T 5179—2005《高鋁礬土熟料》的要求，K2O和Na2O含量≤0.35%～0.6%，盡量采用雜質(zhì)含量低和燒結(jié)程度好的原料進行生產(chǎn)。

一般通過檢測熟料的吸水率來判斷熟料的燒結(jié)程度。生產(chǎn)過程中可以采用吸水率低的的熟料來生產(chǎn)高鋁磚，可以有效降低制品表面的裂紋。實踐表明，為了避免和減少高鋁磚表面網(wǎng)絡(luò)裂紋產(chǎn)生，對GL-50～GL-90高鋁礬土熟料的吸水率分別控制在2.5%～5.0%以下。

2.2 泥料原因及改善措施

泥料中的臨界顆粒尺寸、細粉加入量、泥料的混合質(zhì)量都會影響高鋁磚半成品產(chǎn)生裂紋。如基質(zhì)料一般由細粉組成，燒成過程中產(chǎn)生收縮，而顆粒一般是產(chǎn)生膨脹，兩者之間產(chǎn)生較大的變形差而引起內(nèi)應(yīng)力，從而使制品產(chǎn)生裂紋。

改善措施：高鋁磚泥料攪拌時，必須嚴格控制加料順序，混練時先加入顆粒料干混1～3 min，然后加入紙漿結(jié)合劑混練2～3 min，最后加入細粉混6～8 min，紙漿有效混練時間不低于10 min。鋁磚的泥料粒度常規(guī)控制參數(shù)：3～2 mm，18%±5%；0.5～0.1 mm，15%±5%；＜0.1 mm，40%±5%。水分含量＜1.5%，實際生產(chǎn)時可以通過調(diào)整臨界顆粒尺寸、細粉加入量，同時可以引入適量的膨脹劑或者熱膨脹率較小的顆粒料，并制定合理的泥料控制參數(shù)，以提高泥料的混合質(zhì)量。

2.3 成型原因及改善措施

高鋁磚成型通常采用300 T以上摩擦壓力機或自動壓磚機成型。由于制品磚型、成型模具、布料不均、操作和壓力等原因造成的裂紋，最大特點是規(guī)律性強，裂紋的深度、位置、方向基本一致。

1）磚型的原因：由于不同磚型采用不同的模具進行壓制，帶孔、舌、槽或拐角的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，舌槽較多且多在模幫面上不易成型，且兩側(cè)模幫均為活板，出模后極易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

2）成型模具設(shè)計不合理：由于成型模具設(shè)計缺少排氣槽、排氣孔，磚坯成型出模時易出現(xiàn)裂紋。

3）成型模具安裝和使用不合理：模具安裝不合理，磚坯成型出模時易出現(xiàn)裂紋。模具使用過程中，模具磨損后成型過程中模型與泥科相互磨擦，模壁表面的光潔度和硬度受到一定的磨損，易造成孔、舌、槽或拐角處出現(xiàn)裂紋。

4）布料不均的原因：布料不均，易使高鋁磚磚坯邊部與中間部位等的密實度不同，坯體在干燥過程中，因四周的密實度低于中間，邊部溫度高于中間溫度而導(dǎo)致邊部水分蒸發(fā)快，中間水分蒸發(fā)慢，形成邊部脫水率大于中部的狀況，當邊部脫水收縮過快時，坯體邊部即產(chǎn)生裂紋。

5）成型操作和成型壓力的原因：成型操作時，“短程快打”，“滿程狠打”，雖然大部分氣體被排除，但仍有一小部分氣體被壓縮未被完全排出，當此壓力超過磚坯的斷裂強度，就會造成磚坯產(chǎn)生內(nèi)部橫向裂紋。

改善措施：

1）針對帶孔、舌、槽或拐角的磚型，可以設(shè)計合適的倒角和錐度參數(shù)，壓制前模幫刷少量石墨和油的混合物，以方便磚出模，減低因模具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而產(chǎn)生的裂紋。

2）合理設(shè)計模具，在所有頂?shù)装鍌?cè)面均加工2 mm（寬）×1 mm（深）的排氣槽，排氣槽間距100 mm，以方便成型操作時氣體的排出，減少磚坯成型出模時出現(xiàn)裂紋。

除在模具上加工排氣槽外，所有產(chǎn)品在頂板面增設(shè)排氣孔，直徑Φ6 mm～Φ15 mm，沿長度方向間隔100～150 mm分布。長度≤230 mm，1個；230～400 mm，2個；＞400 mm，3個。并在非工作面加工5 mm（寬）×2 mm（深）水平通道以利于排氣。通過采取以上改進措施，大大降低了磚坯成型壓制時產(chǎn)生的內(nèi)部裂紋。

3）合理安裝成型模具，由專職模型質(zhì)量質(zhì)檢員負責(zé)模型現(xiàn)場檢查驗收，對模型進行磚型核對、尺寸測量，并對驗收情況一一記錄，同時加強對模具使用情況的檢查，對磨損程度較大的模具及時進行燒焊處理，降低因模具磨損而造成的半成品出模裂紋。對于磚型復(fù)雜的品種，可以通過模型改進等措施降低生產(chǎn)難度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4）成型操作時，要注意均勻布料，使高鋁磚磚坯邊部與中間部位等的密實度基本相同，降低坯體在干燥過程中，因坯體部與中間部位密實度的不同而產(chǎn)生的裂紋。

5）成型操作時，按操作規(guī)程壓磚，先輕后重，緩慢加壓，保證打壓次數(shù)，注意不要“短程快打”和“滿程狠打”，以減少內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。

2.4 干燥原因及改善措施

由于坯體干燥敏感程度，干燥介質(zhì)濕度、溫度、時間的不同會造成干燥時磚坯產(chǎn)生表面裂紋。磚坯干燥過程中，坯體中水分被蒸發(fā)的同時，體積也逐漸縮小。由于坯體干燥速度和收縮速度總是外快內(nèi)慢，當其收縮量超過泥料的彈性系數(shù)（1%～2%）時，即產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。

改善措施：根據(jù)磚型大小，制定出合理的干燥制度，確保干燥溫度適中和干燥時間充足。如：大異型磚干燥前套塑料袋，先低溫、后高溫干燥，延長干燥及燒成時間，確保干燥效果，減少干燥時產(chǎn)生的裂紋。

合理調(diào)控干燥介質(zhì)的濕度和溫度，降低因溫度過高、磚坯內(nèi)外收縮不一致導(dǎo)致的表面裂紋，確保半成品的干燥時間。一般單重≤15.0 kg的磚坯進高溫干燥洞（90～130℃），干燥時間16～24 h，干坯殘余水分≤1.5%。單重15.1～25.0 kg的磚坯：先在干燥洞低溫區(qū)域（60～90℃）干燥1 d，再進干燥洞高溫區(qū)域（80～120℃）干燥1 d，確保干坯殘余水分≤1.5%。單重25.1～60.0 kg的磚坯，先進低溫干燥洞（50～90℃）干燥7 d，再倒入高溫干燥洞（＞130℃）干燥7 d以上，確保干坯殘余水分≤1.0%。單重＞60 kg：磚坯裝干燥車后罩塑料袋，頂部扎1.0 mm小孔，先進低溫干燥洞（50～90℃）干燥7 d，取下塑料袋，再進入高溫干燥洞（90～130℃）干燥8 d以上，確保干坯殘余水分≤0.5%。干燥好的磚坯進入燒成帶后，可以大大減少因磚坯水分迅速膨脹造成的成品裂紋。

2.5 裝車原因及改善措施

由于窯車臺面不平整，裝車碼垛不合理，坯垛中間的磚坯受到相鄰磚坯的收縮拉力，當收縮拉力大于其機械強度時，磚坯便被拉裂。坯垛中下層磚坯要承受上層磚坯的重力，層數(shù)越高，下層磚坯承受的重力越大，當磚坯承受的重力超過其自身強度時，磚坯便會斷裂，一般稱為壓裂。

改善措施：高鋁磚磚坯裝窯一般采用平裝。裝車要確保窯車臺面平整，窯車臺面用1～3 mm石英砂墊平，防止因窯車臺面不平整造成的成品裂紋。為使磚垛牢固，在一定高度要平拉一層墊磚。遵循“上密下稀，中密邊稀”的裝車原則，磚與磚之間撒3～1 mm石英砂。掌握合理的裝車密度及走火縫隙，裝磚高度一般為650～1 500 mm，裝車縫隙20～50 mm，合理碼垛，盡可能地擴大磚體受火面積，為燒成均勻創(chuàng)造條件。

2.6 燒成原因及改善措施

高鋁磚的燒結(jié)是液相燒結(jié)，液相的形成溫度和液相量，燒成時的升溫速度、氣氛條件、坯體在燒成過程中產(chǎn)生的收縮以及二次莫來石化和剛玉再結(jié)晶作用會導(dǎo)致不一致收縮，使制品表面產(chǎn)生裂紋。

1）預(yù)熱帶裂紋：干燥后的磚坯進入焙燒窯后仍有兩種水分需要緩慢排除，一是自由水，即干燥后的殘余水分都會導(dǎo)致制品的表面產(chǎn)生網(wǎng)紋。焙燒窯預(yù)熱帶產(chǎn)生的炸紋多發(fā)生在磚坯的大面、中部，裂紋處粗糙，深度大，坯垛干燥不好的部位（背風(fēng)面、中下部）最嚴重。

2）燒成帶裂紋：在燒成過程中發(fā)生的收縮以及二次莫來石化反應(yīng)和剛玉再結(jié)晶作用會導(dǎo)致不一致收縮，使制品表面產(chǎn)生裂紋。由于燒成過程中的化學(xué)變化而導(dǎo)致的裂紋很難避免，可以使反應(yīng)物均勻分散，不至于局部膨脹過大或過小而使裂紋加劇。實際燒成化學(xué)變化而產(chǎn)生的膨脹是有利的，如莫來石的形成，可以抵消高溫下制品的收縮，保持體積的穩(wěn)定。

二次莫來石化一般開始于1 200℃，1 400～1 500℃時反應(yīng)完成。這個反應(yīng)是高嶺石形成莫來石（一次莫來石）時析出來的二氧化硅和剛玉反應(yīng)而生成的莫來石，稱為二次莫來石相，同時有10%左右的體積膨脹。一般來說，二次莫來石量少時，則反應(yīng)溫度偏低。

3）冷卻帶裂紋：冷卻過急產(chǎn)生的裂紋較細、較直，裂紋處比較平滑，有的外觀不明顯，屬于暗紋，敲擊有啞音，坯垛邊部、迎風(fēng)面較其他部位嚴重。

改善措施：高鋁磚的燒成溫度一般控制在（1 350～1 450）℃×（5～10）h。在高鋁磚的燒成過程中，要制定出合理的熱工制度，包括溫度制度、壓力制度、氣氛制度。燒成高鋁制品時，窯內(nèi)氣氛需弱氧化焰，過?？諝庀禂?shù)控制在1.1～1.2。實踐表明，制品表面網(wǎng)絡(luò)裂紋有隨過?？諝庀禂?shù)增大而減少的趨勢，但是空氣過剩系數(shù)波動不宜過大［4］。升溫速度隨原料和制品的不同而異。600℃以前的低溫階段，應(yīng)緩慢升溫，600～1 200℃升溫速度可以稍快，1 200℃至最高燒成溫度應(yīng)控制升溫速度。冷卻階段亦應(yīng)控制降溫速度。

3 結(jié)語

高鋁磚產(chǎn)生裂紋的原因是多方面的，可能有一種或者幾種因素共同起作用，但從實質(zhì)上來分析，主要由于應(yīng)力的作用超過高鋁磚本身承受的應(yīng)力才導(dǎo)致裂紋的發(fā)生。實際生產(chǎn)過程中由于制品物理化學(xué)變化而產(chǎn)生的微裂紋有時對制品提高抗熱震性能是有益的，就要根據(jù)造成高鋁磚裂紋的各種因素進行調(diào)整改進，減少以致消除其危害，提高高鋁磚產(chǎn)品的合格率。

［1］蔡喬方.加熱爐［M］.3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］全國耐火材料標準化技術(shù)委員會.耐火材料國家標準匯編上冊［M］.4版.北京：中國標準出版社，2010.

［3］錢之榮，范廣舉.耐火材料使用手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

［4］任國斌，尹汝珊，張海川，等.Al2O3-SiO2實用耐火材料［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1988.

Cause Analysis and Improvement Measures for High Aluminum Content Brick Crack

ZHANG Chengku,LI Huiwen,SHAO Hong

（Lunai Kiln Refractories Co.,Ltd.,Shandong Refractories Group,Zibo 255200,China）

The possible reasons causing high aluminum content brick crack in raw material,pug,shaping,drying,loading and baking were analyzed,and the corresponding improvement measures were introduced.There are many aspects on the crack reason for high aluminum content brick,and one of them or several factors may be play a role.The measures should combine the actual for reducing and eliminating the hazards,and improving the qualified rate of high aluminum content brick products.

high-alumina brick;crack;secondary mullitization;fracturing

TQ175.71+2.2

B

1004-4620（2015）01-0015-03

2014-08-18

張成庫，男，1982年生，2009年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)。現(xiàn)為山東耐材集團魯耐窯業(yè)有限公司質(zhì)量處助理工程師，從事質(zhì)量檢測技術(shù)工作。