三石（蓝晶石、红柱石、硅线石）在不定形耐火材料中的应用方式都有哪些？
发布日期： 2020-12-02 08:25:17 阅读量（496） 作者：
在非金属和耐火材料领域，尤其是耐火材料中，为方便起见，将蓝晶石、硅线石、红柱石三种矿物，简称为“三石”，同属于高铝矿物原料。
三石在不定形耐火材料中的主要应用有：
(1) 作耐火骨料，如使用粗粒的红柱石作耐火骨料;
(2) 作耐火粉料，如用红柱石及硅线石精矿作粉料;
(3) 作外加剂，主要是作膨胀剂使用。三石矿物中以蓝晶石使用最多。因为蓝晶石莫来石化反应伴随的膨胀值最大，所以蓝晶石是不定形耐火材料良好的膨胀剂，用以抵消耐火材料在高温下的收缩，改善其高温性能。
一、耐火浇注料
近年来关于三石在耐火浇注料中应用的研究主要有四个方面：
1、蓝晶石在耐火浇注料中的应用
加入蓝晶石在浇注料中，主要选用隐山、沭阳韩山二地蓝晶石作为耐火浇注料的膨胀剂，就膨胀性而言，以桐柏的蓝晶石有较大的膨胀值，更适宜作不定形耐火材料的膨胀剂。在铁水包浇注料中，加入南阳隐山蓝晶石作膨胀剂，改善浇注料的线变化率，从而消除材料在高温和冷却过程中产生的收缩裂纹，提高了材料的使用寿命。铁水包使用中，包底等经过必要修补，一个包全程使用包龄1200 ~ 1300次。用蓝晶石作为膨胀剂配制的高铝质浇注料，改善了浇注料的烧后线变化。当浇注料中未加蓝晶石时，烧后的线变化均为负值，而且随温度升高，收缩变大。1300℃时为-0.09%， 1500℃时为-1.05%。但加入蓝晶石后，浇注料收缩减小或者为正膨胀，如加入量为8%、10%的不同粒级 (0.175mm或0.09mm)蓝晶石，在1300 ~ 1500℃温度下，浇注料均为正值，即抵消了材料在高温下的收缩后，尚呈现膨胀。
生产中，综合材料的指标要求，合理地选择蓝晶石精矿粒度，既保证材料在高温下不收缩(或很少收缩)，而又保证有较高的强度。一般选择0.174〜0.074mm规格的粒度为适中。
2、加入红柱石对浇注料性能的影响
(1) 红柱石在铁沟料中的应用
随着高炉的大型化，铁水及渣的冲刷力，磨损增加，尤其是主沟的工作条件日益苛刻，寿命降低，为了改变这一现象，李跃普等人在生产的铁沟主沟料中使用了红柱石，利用红柱石的特性来提高铁沟主沟浇注料的性能。在生产中根据不同的使用要求，添加不同粒度(0~ 1mm、0.074mm)的红柱石铁沟浇注料，有利于降低浇注料的显气孔率，提高常温耐压强度，改善浇注料的热震稳定性。红柱石的品质越优良，其效果与高温性能越优越。
使用添加红柱石的铁沟浇注料，在250m3高炉单出铁口一次性通铁量达8万吨至12万吨，中间经过喷补与套浇修补，使用寿命可达150万吨以上，降低了生产成本。使用机理主要利用红柱石在高温分解时，能产生一定数量莫来石和液相，生成的莫来石有助于浇注料热震稳定性与荷重软化温度的提高，而产生的这 些液相不仅能够促进烧结使基质与骨料紧密集合，还可封闭气孔，降低制品的显气孔率，提高浇注料的耐压强度等特性。
(2) 脱硫枪用浇注料
铁水预处理脱硫喷枪总是处在剧烈的冷热温度变化之中，此时对喷枪一般损坏不是侵蚀，而是热应力产生的裂纹，渗入铁水而破坏。通过提高浇注料的抗热震性，防止枪体出现裂纹和剥落现象。通过添加红柱石，补偿收缩，保证枪体的体积稳定，提高其使用性能。李跃普等人在宁波某钢厂试用时一次性达到200次以上，中间少量进行修补。
3、加入硅线石和蓝晶石对浇注料性能的影响
在浇注料中，加入硅线石，或者硅线石和蓝晶石精矿复合改善了制品烧后的线变化。此外，也使制品的荷重软化温度、耐压强度都有较明显效果。硅线石精矿品级高，其效果更明显。如用Al2O3含量59%的硅线石，骨料为一级矾土的SC-3试样，其荷重软化温度(4%)大于1600℃;当用硅线石Al2O3含量48%时，骨料仍为一级矾土，其荷重软化温度(4%)则明显降低，如SC-12试样，为1565℃。
4、加入天然硅线石和红柱石复合矿粉对浇注料性能的影响
在浇注料中加入复合矿粉，试样的抗热震性获得改善，烧后线变化率减小。适量加入天然硅线石红柱石复合矿的低水泥高铝质浇注料，主要技术指标都获得改善。主要原因是基质中大量生成莫来石。复合矿粉在较低温度下(1000 ~1300℃)形成液相，而液相有利原位莫来石、次生莫来石的生成，从而对浇注料的性能产生有益的效果。复合矿粉适宜的加入量为5%。
蓝晶石过去在耐火浇注料使用的主要作用是作为膨胀剂以抵消材料在高温下的收缩，随着认识的提高，应用红柱石、硅线石，或者三石的复合，都能有效改善、提高Al2O3-SiO2系材料的品质，在定形耐火材料是如此，不定形耐火材料亦如此，都显示出三石独特的性质。
二、耐火可塑料
在耐火可塑料中，添加蓝晶石与未添加蓝晶石做比较，在1400℃烧后线变化，前者线变化较大，后者较小，一般膨胀增大并且添加蓝晶石后，1400℃烧后的各试样，其线变化均呈膨胀状态。这对可塑料的使用是有利的，增强构筑体结构的稳定性，减少裂纹，缓慢剥落。在1600℃时的线变化与1400℃相比，又略有膨胀。
三、耐火捣打料
加入三石矿物后，高铝质耐火捣打料烧后线变化由线收缩转变为线膨胀。其中以蓝晶石效果最好，1400℃烧后线变化由-0.40%增加到+ 1.60%。这显示出三石矿物的膨胀剂作用。
添加三石矿物，在1400 ~ 1500℃对高铝质耐火捣打料耐压强度无明显作用， 因为在这个温度阶段，蓝晶石、红柱石快速分解，未完全莫来石化。
四、耐火喷涂料
耐火喷涂料是利用风动工具以机械喷射方法施工的不定形耐火材料。由耐火骨料、粉料、结合剂(或外加剂)组成。按材料体积密度分有轻、中、重质喷涂料三类。轻质喷涂料(0.5〜1.39g/cm3)常用作隔热衬，中重质喷涂料(1.3~1.8g/cm3)既可作隔热衬里又可作低、中温窑炉的工作衬，重质喷涂料(大于1.89g/Cm3) 主要作工作衬用。
高炉炉腹中部以上铁皮内侧，热风炉燃烧室、蓄热室、混合室以及各种热风管道内壁等部位都可采用不同品种的耐火喷涂料，其作用是隔热保温，提高炉体的气密性，保护炉体铁皮等。我国最大的高炉(容积大于5500m3)热风炉，也采用耐火喷涂料。三石的引入，不但可以改善耐火喷涂料的线变化率，而且由于增加了莫来石新相，改善提高了材料的指标值。加入的三石，既有单一品种，又有复合型。
在耐火喷涂料或耐火浇注料等不定形耐火材料中，加入三石材料都获得良好效果。根据定形或不定形耐火材料的指标要求，选择三石的品种或复合型品种。
五、耐火泥浆
随着不定形耐火材料的发展，耐火泥浆在研制、生产、检验等各方面都有了广泛的发展。随着耐火泥浆应用范围的扩大，普通的耐火泥浆在使用性能等方面已经不能完全满足施工窑炉的要求。新型的耐火泥浆中，蓝晶石的加入起到了很大的作用。在耐火泥浆中，添加蓝晶石精矿，由于蓝晶石的莫来石化膨胀反应，补偿泥浆在高温下的收缩。
六、高强度挡渣墙预制件
高炉出铁沟用高强度挡渣墙预制件加入膨胀剂，使材料在各温度下均匀膨胀 (尤其在1000 ~ 1500℃温度范围)，抵消或减弱了材料在各个温度阶段产生的收缩。加膨胀剂的材料，可以填补由于材料基质收缩和自身内应力造成的微裂纹，改善材料的体积稳定性。
不定形耐火材料应用三石精矿作为膨胀剂的实例见表1。
表1不定形耐火材料应用的三石矿物实例
综上所述，不定形耐火材料的各品种，如浇注料、可塑料、捣打料及耐火泥浆，都不同程度使用到蓝晶石、红柱石及硅线石，尤其是蓝晶石使用更为广泛。主要机理是利用三石矿物在高温下分解，莫来石化反应伴随的体积膨胀，以补偿不定形耐火材料在高温下的收缩，使线膨胀趋于正值，减轻结构剥落，增强材料体积稳定性。
此外，三石矿物的分解，形成莫来石矿物对材料的荷重软化温度、强度等都有良好的作用。
不定形耐火材料的膨胀剂还有使用石英(SiO2)的。利用石英同质多相转变产生的膨胀来补偿不定形耐火材料高温下的收缩。其中主要应用α-石英(高温石英)转变成α-方石英的膨胀，因它体积变化最大。
但是将石英与蓝晶石相比较，蓝晶石使用效果较好。一则是膨胀值相对较大，二则是由于蓝晶石分解，获得莫来石晶相，对材料高温性能有利。因此，目前在不定形耐火材料中常用蓝晶石作为膨胀剂，或与红柱石或硅线石复合作为外加物使用。
利用蓝晶石、红柱石和硅线石的分解莫来石化反应，对材料的性能产生好的影响，需要根据作业温度选择好品级、用量和粒度，否则会使材料内部恶化，造成材料的膨胀裂纹和密度及强度的降低。
以上的方法是利用三石矿物的分解，莫来石化伴随的膨胀反应和石英晶型转变产生的膨胀反应，补偿不定形耐火材料高温下的收缩，增强体积稳定性。但是，膨胀反应对材料的良好影响不止于此。例如热风炉用低蠕变砖、改性高铝砖系列等，就是利用材料内部的膨胀反应来提高荷重软化温度和抗蠕变性、抗热震性等性能。所以我们要很好地利用三石来改善耐火材料的性能。
这里顺便指出，在耐火材料里大量存在着膨胀反应的问题。例如，以上讨论的热风炉用低蠕变砖的研发，其基质就有膨胀化效应问题。总之，除了重视材料中大量存在的膨胀化反应外，更重要的是设法利用、控制它来改善材料的性能。
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