硅砖中裂纹的成因及其分析

硅砖中裂纹的成因及其分析目前,大多数耐火制品均采用半干法生产制品、隧道窑烧成。制品(包括硅砖)在生产过程中出现裂纹是导致其废品率提高的主要原因之一。本文以硅砖为例,分析了硅砖成品中裂纹的成因,并说明了产品质量的优劣与整个生产过程都有关系,只有全面考察生产工艺过程的全部环节,才能从蛛丝马迹中找出提高产品质量的关键因素。此经验对其它制品生产也有借鉴作用。1裂纹的产生机理与分类1.1产生机理耐火材料在烧成过程中所受环境温度急剧变化的作用,称之为热冲击(或称热震)。在热冲击下,耐火材料内部产生热应力,当其值达到制品的强度极限值时,制品即开裂或断裂。耐火材料是非均质的脆性材料,由于其比金属制品的热膨胀率大、导热率和弹性小以及抗张强度低等,故在烧成过程中易出现裂纹且在热冲击作用下不断扩展,最终发生断裂。硅砖在烧成时,由于晶形转变则产生较大的体积膨胀,尤其易产生裂纹甚至开裂。然而,在微观结构中存在的微裂纹有提高结构的弹性、减弱热应力、中止已形成裂纹扩展作用。但本文主要讨论肉眼可见或常规方法可检测的且影响制品使用的裂纹。1.2裂纹种类硅砖成品中的裂纹可分为表面裂纹和内部裂纹(也称为层裂)。其中,表面裂纹纵横交错,长短不一。为便于分析裂纹的成因,有必要对其进行合理的分类。实践证明,裂纹的形状与成型时的加压方向密切相关,而加压方向又与砖形有关,因此通常按与砖形有关的加压方向分类。为此,先规定2个与分类有关的方向,即砖的横行和竖向(或纵向)。例如,1块标准普通型砖其加压方向一般为厚度方向,则规定沿砖加压方向为横向,其余2个方向均为竖向,见图1。1.2.1表面裂纹表面裂纹又分为:①竖向裂纹,即垂直于制品的加压方向,一般沿制品的高度方向(图2)。半干法机成型生产制品时,沿加压方向会造成“层密度”且导致坯体受热膨胀不均而产生较大的热应力,生成平行于密度层的裂纹,故也将其称之为机压裂纹,其沿制品沟舌处最多。②横向裂纹,即平行于制品的加压方向,一般沿制品的厚度方向(图3),通常为制品烧成时各部分受热不均所致,其多出现在砖垛外侧的受火面,特别是顶层的制品表面。③网状裂纹,即数条裂纹组成的闭合曲线(图4),通常是由于温度过高且起伏较大,制品内部热应力大,达到了制品的破坏应力,加之坯体本身微观的不均匀性,即造成网状裂纹。此外,混练不均匀或原料变化也会导致网状裂纹。1.2.2层裂机压时的弹性后效、压制时空气未排净、坯料水分过高、加压制度不合理等多种因素都可导致层裂。大的层裂在刚成型或经干燥就可检测出来。但微小层裂只有在烧成中的热应力作用下继续扩展,才能在烧后明显地被检测出来。1.2.3裂纹生成时间判断有一个办法可进一步判断裂纹何时生成。沿裂纹处用锤头将砖敲开,露出新的断面,如果断面上粗颗粒保持完整,则裂纹通常是在预热带生成的;反之,如果粗颗粒也断开,则说明裂纹出现前制品已烧结,裂纹在冷却带生成。可用此法判断所有裂纹且均有效。2裂纹成因分析2.1多种因素变化对裂纹生成的影响在制品生产过程中,从原料选择、配料、混练、成型、干燥、装车等,直到烧成产品,每一环节的不合理都有可能造成裂纹。烧成和成型工艺是影响裂纹产生的最主要的因素,但其它因素的作用也不容忽视。举例来说:①在选择的原料中如快速转变硅石较多且烧成控制不当极易产生裂纹。结晶硅石的晶粒大小对裂纹的生成也有影响,若石英晶粒较大则烧成膨胀大、转变慢、易松散,制品易出现裂纹。合理选择矿化剂和适量添加废硅砖可减少砖坯的烧成膨胀和裂纹的生成。②配料时粗颗粒过多,烧成时在颗粒周围会出现裂纹,砖的结构难以致密,易出现局部开裂,难以制得表面光滑棱角整齐的制品。而增加细粉有利于减少烧成膨胀,减少砖体的裂纹和体积变化,提高成品率。③原料混合不均,烧成时坯体各部分膨胀不均匀,将导致裂纹的出现。坯料水分过大也将引起层裂。④成型控制不好也很易生成裂纹。理论上讲,采用振动成型不会产生层裂,只要卸模时多加注意,其它裂纹也很少。但国内大批量的制品生产多采用机成型且双面加压,以减少层密度现象发生。先轻后重的加压制度有利于气体排除,可减少层裂的产生。多次加压比1次压制的密度高、层密度小,可减少竖向裂纹。布料不合理将产生严重的密度不均,导致各种裂纹显著增加。布料时,边角沟舌处料难以自然到达,压制力又小,趋向于多布料,有些地方甚至要预先捣打密实。⑤半成品干燥制度本身不合理也将导致裂纹。这些裂纹如果在干燥后不能被检出,则会在烧成时继续扩展。⑥半成品装车制度不合理也会导致裂纹增加。如装车时需将特异型砖装在内部,标准普通型砖装在外部;砖的凸出部位或易出现裂纹的部位向里;窑车顶部要盖一些薄砖以避免火焰的直接冲击等,否则将会导致裂纹增多。耐火材料在烧成过程中的物理化学变化是确定烧成制度的重要依据。烧成制度不合理可导致大量裂纹。但即便烧成制度制定合理,受窑体结构、装车方式、实际风量、砖种变化、具体操作等的影响,实际烧成制度与理论烧成制度会有所不同。根据原料、砖种、产量等变化实时地调整烧成制度是保证合理烧成的关键,用倒焰窑烧成如此,用隧道窑烧成也是如此,尽管隧道窑烧成制度的调整相对麻烦些。另外,操作不当也将导致裂纹产生,如某个烧嘴开得过大、窑体某部分漏风、某个排烟口排烟不畅等都将强烈地改变烧成制度,在窑车的某些部位造成大量裂纹。因此,在生成中须充分重视烧成制度的合理性。2.2单因素变化对裂纹生成的影响如果影响裂纹生成的其它因素保持不变,只变化其中某一影响因素,则对裂纹的影响时大时小:即起主要作用的因素变化则影响巨大;反之,则影响微小。例如,当机成型产生竖向裂纹和层裂时,调整烧成制度,采取缓慢升温和降温等措施,则竖向裂纹和层裂必然减少,但减少幅度可能很小,因为烧成不是影响裂纹生成的主要因素。但如果制品表面有很多的网状裂纹,采取更好的烧成制度,则有可能会大幅度减少裂纹。裂纹的产生通常是只有1种因素起主要作用,或几种因素共同起主要作用,因此只有通过深入细致分析才能找出主要影响因素;也只有通过调整主要影响因素才能更好地解决裂纹问题。2.3用烧成检验其它工序的合理性不合理的烧成制度将导致大量裂纹产生,但在合理烧成制度下的烧成又可检验其它工序是否合理。例如,混练不合理、成型不合理、装车不合理等都将导致各种裂纹的显著增加,这些不合理均可通过烧成检验出来。通常,从产品质量的变化来分析哪个工序导致其变化是困难的,如网状裂纹可能是烧成不合理造成的,也有可能是混练不合理或是原料变化所致,要准确认定某个因素有时非常困难;但反过来,了解本工序的变化及其对产品的影响要相对简单些。从这个角度讲,全员的参与有助于技术人员尽早地了解和掌握影响产品质量的原因。3结论(1)制品受到热冲击其内部会产生热应力,且因其过大而使制品中产生裂纹。硅砖中的裂纹分为表面裂纹和层裂。表面裂纹又包括横向裂纹、竖向裂纹和网状裂纹。通常层裂和竖向裂纹是机压造成的,横向裂纹和网状裂纹是烧成所致。(2)裂纹的出现是多种因素共同作用的结果,影响裂纹生成的主要因素是烧成和机压,但其它与生产过程有关因素所起的作用也不容忽视。单因素变化对裂纹生成的影响有大有小,抓住主要影响因素是解决裂纹问题的关键。烧成制度合理时,烧成是其它工序是否合理的试金石。