Briques de silicesont des matériaux réfractaires à base d'acide-principalement composés de tridymite, de cristobalite et de petites quantités de quartz et de verre résiduels. Ils offrent une forte résistance aux scories à base d'acide -, mais sont sensibles à la corrosion par les scories alcalines et sont vulnérables à la corrosion par les oxydes tels que Al₂O₃, K₂O et Na₂O. Leur caractère réfractaire sous charge est élevé, allant de 1 640 degrés à 1 680 degrés, proche des points de fusion de la tridymite et de la cristobalite (respectivement 1 670 degrés et 1 713 degrés). Leur plus grand inconvénient est leur faible résistance aux chocs thermiques, mais leur caractère réfractaire est similaire à leur caractère réfractaire sous charge. Ils résistent à une utilisation à long terme-à des températures élevées sans déformation, contribuant ainsi à garantir la résistance structurelle des structures en maçonnerie pendant le fonctionnement.
Les briques de silice sont principalement utilisées dans les cloisons de séparation des chambres de carbonisation et de combustion des fours à coke, ainsi que dans les toits ou les voûtes des fosses de trempage, des hauts fourneaux chauds, des fours à sole ouverte à l'acide et des fours à verre. Dans la technologie de fabrication du fer, de nouvelles technologies telles que la réduction directe et la réduction en fusion se transforment progressivement en forces productives. Dans l'industrie de la cokéfaction, un « coke formé » produit sans four à coke a été développé, qui peut remplacer en partie le coke traditionnel.
Les briques réfractaires en silice, comme la plupart des briques réfractaires frittées, sont produites selon un procédé semi--sec et cuites dans des fours tunnel. Les fissures qui se produisent au cours du processus de production sont l’une des principales raisons du taux élevé de rebuts.
Types de fissures dans les briques de silice
Les fissures dans les briques de silicium peuvent être classées en fissures de surface et en fissures internes, ces dernières également appelées fissures de couche. Les fissures de surface sont en outre classées en fissures transversales, fissures longitudinales et fissures de réseau. Les briques de silice sont produites à l'aide d'une méthode de formage semi-presse à sec-pour créer des corps verts denses. Les fissures se produisant dans la direction de la pression appliquée au corps cru sont des fissures transversales, tandis que les fissures se produisant perpendiculairement à la direction de la pression sont des fissures verticales. Les fissures en réseau sont composées de plusieurs fissures réparties selon un motif en toile d'araignée à la surface d'une brique de silice.
Généralement, pour une brique de silice standard, le corps vert est pressé dans toute son épaisseur. Le processus de formage des briques réfractaires en silice est essentiellement un processus de compactage des particules à l’intérieur du flan et d’élimination de l’air, formant ainsi un flan dense. Après avoir été pressées à la machine-, les briques présentent des avantages tels qu'une densité élevée, une résistance, un retrait minimal au séchage et à la cuisson et des dimensions de produit faciles à contrôler. Cependant, si le processus de pressage à la machine-est mal contrôlé, des fissures lamellaires perpendiculaires à la direction de la pression peuvent se former dans l'ébauche pendant le processus de pressurisation. Par conséquent, les fissures lamellaires, ou simplement les laminages, au sein des briques réfractaires en silice sont également des fissures longitudinales.
Les grandes stratifications peuvent être détectées immédiatement après le formage ou le séchage des briques. Cependant, de légères laminages à l'intérieur des briques ne deviennent visibles qu'après la cuisson, car elles continuent de se dilater en raison des contraintes thermiques pendant la cuisson. Les briques contenant des fissures, en particulier les laminages, sont sujettes à la casse, ce qui les rend inutilisables et réduit le rendement des produits en briques de silice.
Mesures clés pour la formation et la prévention des fissures dans les briques de silice
1. Pressage à la machine
Les laminages des briques de silice sont principalement causés par un contrôle inapproprié du processus de pressage mécanique-et sont parfois appelés fissures-pressées mécaniquement. Les matières premières et les ébauches des briques réfractaires de silice sont composées de trois phases de matière : solide, eau ou autres liants et air. Pendant tout le processus de moulage par compression mécanique ou de pressage, la quantité de phases solides et liquides ne change pas, tandis que la quantité d'air dans l'ébauche est comprimée et réduite en raison de l'action de la pression, et le volume de l'ébauche comprimé est également réduit en conséquence. Le processus de pressage peut être grossièrement divisé en trois étapes suivantes : (1) Dans la première étape, sous l'action de la pression, les particules dans l'ébauche commencent à se déplacer et à se reconfigurer en un empilement plus dense. La caractéristique de ce processus est une compression évidente. Lorsque la pression augmente jusqu’à une certaine valeur, elle entre dans la deuxième étape. (2) Dans la deuxième étape, les particules subissent une déformation fragile et élastique. Une fois que l'ébauche est comprimée dans une certaine mesure, la poursuite de la compression est empêchée. Lorsque la pression augmente et atteint la force externe qui provoque à nouveau la déformation des particules, le flan est re-comprimé et la densité du flan augmente en conséquence. Cette étape est une étape où la compression et la pressurisation deviennent courtes et fréquentes. (3) Dans la troisième étape, sous la pression limite, la densité relative de l'ébauche est fondamentalement stable et difficile à augmenter. Le pressage du flan de brique est terminé. Pendant le processus de moulage par compression, l'expansion retardée du corps cru due aux séquelles élastiques doit être contrôlée à moins de 2 %. Ne pas le faire entraînera souvent le rejet du produit pendant le processus de pressage. Si le corps vert forme une « densité en couches » dans la direction de la pression appliquée, avec une différence de densité dépassant 2 %, une fissuration en couches est susceptible de se produire dans le corps vert. Cela conduit à une dilatation thermique inégale lors de la cuisson, entraînant des contraintes thermiques importantes et la formation de fissures longitudinales parallèles aux couches de densité, entraînant un rejet du produit.
Lors du moulage par compression, la pression est utilisée pour surmonter le frottement interne entre les particules, le frottement externe entre les particules et la paroi du moule et la déformation du corps cru pressé. À mesure que la distance par rapport à la tête de pressage augmente, la pression interne du corps vert diminue.
Par conséquent, lors du pressage de briques de silice, il est préférable d’utiliser des moules courts avec un petit rapport d’aspect, plutôt que des moules hauts avec un rapport d’aspect élevé, afin d’assurer une répartition uniforme de la pression dans le corps vert. Parallèlement, certains plastifiants et tensioactifs sont introduits dans l'ébauche pour réduire les frottements internes et les pertes de transmission de pression ; les finitions des moules sont améliorées ou lubrifiées pour réduire les frottements externes ; un pressage double-face est utilisé pour réduire le rapport L/D du flan ; et de multiples pressurisations, en commençant par légères puis lourdes, sont utilisées pour empêcher une accumulation excessive de pression dans l'ébauche et éliminer les séquelles élastiques. Ces mesures améliorent l'uniformité de la pression et de la densité au sein du flan. Cela empêche une densité élevée près de la surface de pression et une faible densité loin de la surface de pression à l'intérieur du flan de brique de silice, réduisant ainsi la formation de densité de couche et de fissures.
De plus, des ébauches de briques de silice sont préparées en mélangeant des granulats, du clinker, de la poudre de broyeur à boulets, un minéralisateur, de la liqueur résiduaire de pâte au sulfite et un plastifiant. L'amélioration du processus de pétrissage du flan peut également contribuer à augmenter la densité du flan. En termes de technologie de mélange physique, le mouvement des matériaux dans la même phase est appelé mélange, le mouvement des matériaux dans différentes phases est appelé agitation et le mélange de liquides et de solides à haute viscosité - est appelé pétrissage (pétrissage et mélange). Grâce à un pétrissage approprié, une poudre fine peut être appliquée autour de particules plus grosses, éliminant efficacement les gaz et augmentant la densification de la brique, réduisant ainsi la porosité de la brique.
2. Processus de tir
Le frittage des briques de silice est essentiellement une transformation polycristalline du SiO2. Sous l’action des minéralisateurs, la matière première silice est lentement frittée, se transformant essentiellement en tridymite et cristobalite, avec seulement une petite quantité de quartz résiduel. Pendant l'utilisation, les briques réfractaires de silice subissent une expansion totale de volume de 1,5 % à 2,2 % lorsqu'elles sont chauffées à 1 450 degrés. Cette dilatation résiduelle scelle les joints de mortier, assurant une bonne étanchéité et une bonne résistance structurelle aux maçonneries en briques de silice. De plus, cette transformation polycristalline du SiO2 impose que les briques réfractaires en silice soient au centre de la surveillance des matériaux réfractaires pendant la phase initiale de cuisson du four, avec une vitesse de chauffage lente et uniforme comme caractéristique. Étant donné que la transformation cristalline de la - et de la -cristobalite dans les briques réfractaires de silice s'accompagne d'un effet de volume significatif dans la plage de température de 150 à 300 degrés, des précautions particulières doivent être prises pour augmenter lentement la température dans cette plage pendant la cuisson du four.
Les changements physiques et chimiques qui se produisent lors de la cuisson des briques de silice peuvent être résumés comme suit :
① L'humidité résiduelle dans les briques est éliminée en dessous de 150 degrés.
② Ca(OH)2 commence à se décomposer entre 450 et 550 degrés et se termine à 550 degrés. À ce stade, les liaisons entre les particules de brique de silice sont rompues par l’action du CaO et d’autres substances, ce qui entraîne une diminution de la résistance et une brique cassante.
③ À 550-650 degrés, les briques de quartz se transforment en monoquartz, provoquant une expansion du volume.
④ À 600-700 degrés, une réaction en phase solide se produit entre CaO et SiO2, augmentant la résistance de la brique.
⑤ À 800 -1 100 degrés, une réaction en phase liquide-se produit dans les briques, augmentant rapidement la résistance des briques. À partir de 1 100 degrés, le taux de conversion du quartz augmente considérablement et du quartz de faible densité se forme, provoquant une expansion de volume significative.
⑥ À 1 300-1 350 degrés, en raison de l'augmentation de la quantité de tridymite et de cristobalite, la véritable densité du corps vert diminue et l'expansion volumique augmente, ce qui peut conduire à des fissures.
⑦ À 1350-1470 degrés, le degré de conversion du quartz et l'expansion qui en résulte sont très importants. Seuls le monoquartz, la cristobalite métastable, les minéralisateurs et les impuretés interagissent pour former une phase liquide et envahissent les particules de quartz pour former des fissures lorsque la cristobalite métastable se forme, ce qui favorise la dissolution continue du monoquartz et de la cristobalite métastable dans la phase liquide formée, ce qui en fait une fusion sursaturée de silicium et d'oxygène, puis cristallise continuellement à partir de la fusion sous forme de tridymite stable. À ce stade, plus la viscosité de la phase liquide est élevée, plus la vitesse de conversion de la brique de silice est rapide et plus le risque de fissures dans le corps vert de la brique est grand. Par conséquent, afin d'éviter que la brique de silice ne subisse des changements de forme cristalline pendant le processus de cuisson, accompagnés de changements de volume importants conduisant à la formation de fissures, les mesures de processus suivantes doivent être prises :
(1) Contrôler la vitesse de chauffage de différentes plages de températures de cuisson. Le taux de chauffage doit être ralenti lorsque la température est inférieure à 600 degrés. Le taux de chauffage peut être accéléré lorsque la température est comprise entre 600 degrés et 1 000 degrés. Le taux de chauffage doit être lent lorsque la température est comprise entre 1 100 et 1 300 degrés. Lorsque la température est comprise entre 1 300 degrés et la température de cuisson (1 430 degrés à 1 450 degrés), la vitesse de chauffage doit être la plus lente pendant le processus de cuisson. Lorsque les briques de silice cuites sont refroidies en dessous de 600 degrés, en particulier à 300 degrés, elles doivent être refroidies lentement. Cela peut efficacement amortir le changement de volume de la transformation cristalline, augmentant ainsi la teneur en tridymite et en cristobalite et évitant la formation de fissures.
(2) Une atmosphère réductrice doit être utilisée pendant l'étape de cuisson à haute-température, ce qui est propice à la minéralisation de l'oxyde de fer faible-valent et favorise la production à grande échelle-de tridymite. Sinon, dans une atmosphère oxydante, surtout lorsque le minéralisant est insuffisant, la majeure partie du -quartz est convertie en -cristobalite. Cette conversion est appelée « conversion sèche ». Lors de la conversion à sec, en raison de l'expansion inégale du volume du corps de la brique et du manque de contrainte tampon en phase liquide, la structure du produit se détachera et se fissurera. Dans le même temps, une isolation appropriée doit être réalisée à différentes étapes de température de cuisson des briques de silice pour garantir que les briques de silice ont une composition de phase raisonnable et répondent aux exigences d'utilisation.
(3) Améliorer le système de chargement des produits semi-finis pour réduire la probabilité de fissures. Les fissures transversales dans les briques réfractaires de silice, c'est-à-dire les fissures parallèles à la direction de pression du produit, sont généralement provoquées par un chauffage inégal des différentes parties du produit pendant la cuisson. Ils apparaissent principalement sur la surface exposée au feu à l'extérieur de la pile de briques, en particulier sur la surface du produit supérieur. Les fissures de maille à la surface des briques réfractaires en silice, en plus des irrégularités microscopiques du corps vert lui-même dues à un malaxage irrégulier ou à des changements dans les matières premières, sont généralement causées par un chauffage du produit à une température trop élevée avec de grandes fluctuations. Lors du chargement, des briques de silicium spéciales doivent être placées à l'intérieur du wagon du four, et des briques ordinaires standard doivent être placées à l'extérieur du wagon du four ; les parties saillantes des briques de forme spéciale-ou les parties sujettes aux fissures doivent être placées vers l'intérieur ; le dessus du wagon du four doit être recouvert de briques minces pour éviter l'impact direct de la flamme, etc. Sinon, davantage de fissures se produiront.
Les fissures sont un facteur majeur affectant le rendement et les performances des briques de silicium. La maîtrise des procédés de moulage sous presse et de cuisson est essentielle pour prévenir les fissures dans les briques de silice. Les conversions théoriques et réelles des matières premières de silice varient et le programme de cuisson doit être ajusté en temps réel en fonction des changements dans les matières premières, le type de brique et d'autres facteurs. La préparation et la qualité des ébauches de briques de silice sont des facteurs importants, voire critiques. Ce n'est qu'en contrôlant strictement chaque étape du processus que des briques de silice-hautes performances peuvent être produites efficacement et avec une faible consommation d'énergie.
