Quarzsteinesind feuerfeste Materialien auf Säurebasis, die hauptsächlich aus Tridymit, Cristobalit und geringen Mengen Quarz- und Glasrückständen bestehen. Sie bieten eine starke Beständigkeit gegenüber säurebasierter Schlacke, sind jedoch anfällig für Korrosion durch alkalische Schlacke und anfällig für Korrosion durch Oxide wie Al₂O₃, K₂O und Na₂O. Ihre Feuerfestigkeit unter Last ist hoch und liegt zwischen 1640 Grad und 1680 Grad, nahe den Schmelzpunkten von Tridymit und Cristobalit (1670 Grad bzw. 1713 Grad). Ihr größter Nachteil ist ihre geringe Temperaturwechselbeständigkeit, aber ihre Feuerfestigkeit ähnelt der Feuerfestigkeit unter Last. Sie überstehen einen langfristigen Einsatz bei hohen Temperaturen ohne Verformung und tragen so dazu bei, die strukturelle Festigkeit von Mauerwerkskonstruktionen während des Betriebs sicherzustellen.
Quarzsteine werden hauptsächlich in Trennwänden der Verkokungs- und Brennkammern von Koksöfen sowie in den Dächern oder Gewölben von Einweichgruben, Heißhochöfen, Säureherdöfen und Glasöfen verwendet. In der Eisenherstellungstechnologie werden neue Technologien wie Direktreduktion und Schmelzreduktion nach und nach in Produktivkräfte umgewandelt. In der Kokereiindustrie wurde ein „Formkoks“ entwickelt, der ohne Verwendung eines Koksofens hergestellt wird und den herkömmlichen Koks teilweise ersetzen kann.
Feuerfeste Silica-Steine werden, wie die meisten gesinterten feuerfesten Steine, im Halbtrockenverfahren hergestellt und in Tunnelöfen gebrannt. Risse, die während des Produktionsprozesses entstehen, sind einer der Hauptgründe für die hohe Ausschussquote.
Arten von Rissen in Quarzsteinen
Risse in Siliziumsteinen können in Oberflächenrisse und Innenrisse eingeteilt werden, letztere werden auch als Schichtrisse bezeichnet. Oberflächenrisse werden weiter in Querrisse, Längsrisse und Netzwerkrisse eingeteilt. Silica-Ziegel werden mithilfe eines Halb-Trockenpressverfahrens-hergestellt, um dichte Grünkörper zu erzeugen. Risse, die entlang der Druckrichtung auf den Grünkörper auftreten, sind Querrisse, während Risse, die senkrecht zur Druckrichtung auftreten, Vertikalrisse sind. Netzwerkrisse bestehen aus mehreren Rissen, die in einem Spinnennetzmuster auf der Oberfläche eines Quarzsteins verteilt sind.
Typischerweise wird bei einem Standard-Silikatstein der Grünkörper durch seine gesamte Dicke gepresst. Der Formungsprozess von Silikat-Schamottsteinen besteht im Wesentlichen darin, die Partikel im Rohling zu verdichten und Luft zu entfernen, wodurch ein dichter Rohling entsteht. Nach dem maschinellen Pressen weisen die Ziegel Vorteile wie hohe Dichte, Festigkeit, minimale Trocknungs- und Brennschrumpfung sowie leicht kontrollierbare Produktabmessungen auf. Wenn der maschinelle Pressvorgang jedoch nicht ordnungsgemäß gesteuert wird, können sich während des Druckvorgangs lamellenförmige Risse senkrecht zur Druckrichtung im Rohling bilden. Daher sind Lamellenrisse oder einfach Laminierungen in Quarzsandsteinen auch Längsrisse.
Große Laminierungen können sofort nach dem Formen oder Trocknen der Ziegel erkannt werden. Kleinere Laminierungen innerhalb der Ziegel machen sich jedoch erst nach dem Brennen bemerkbar, da sie sich aufgrund der thermischen Spannungen beim Brennen weiter ausdehnen. Ziegel mit Rissen, insbesondere Laminierungen, neigen zum Bruch, was sie unbrauchbar macht und die Ausbeute an Quarzsteinprodukten verringert.
Schlüsselmaßnahmen zur Bildung und Vermeidung von Rissen in Quarzsteinen
1. Maschinelles Pressen
Laminierungen in Quarzsteinen werden hauptsächlich durch unsachgemäße Kontrolle des maschinellen Pressvorgangs verursacht und werden manchmal als maschinell gepresste Risse bezeichnet. Die Rohstoffe und Rohlinge von feuerfesten Silikatsteinen bestehen aus drei Stoffphasen: Feststoff, Wasser oder andere Bindemittel und Luft. Während des gesamten Prozesses des mechanischen Formpressens bzw. Gesenkpressens ändert sich die Menge der festen und flüssigen Phasen nicht, während die Luftmenge im Rohling durch die Druckeinwirkung komprimiert und reduziert wird und sich auch das Volumen des verdichteten Rohlings entsprechend verringert. Der Matrizenpressvorgang kann grob in die folgenden drei Phasen unterteilt werden: (1) In der ersten Phase beginnen sich die Partikel im Rohling unter der Einwirkung von Druck zu bewegen und zu einem dichteren Stapel zusammenzufassen. Charakteristisch für diesen Prozess ist die offensichtliche Komprimierung. Wenn der Druck auf einen bestimmten Wert ansteigt, tritt er in die zweite Stufe ein. (2) In der zweiten Stufe erfahren die Partikel eine spröde und elastische Verformung. Nachdem der Rohling bis zu einem gewissen Grad komprimiert ist, wird eine weitere Komprimierung verhindert. Wenn der Druck zunimmt und die äußere Kraft erreicht, die eine erneute Verformung der Partikel bewirkt, wird der Rohling erneut komprimiert und die Dichte des Rohlings erhöht sich entsprechend. In dieser Phase werden Kompression und Druckaufbau kurz und häufig. (3) In der dritten Stufe ist die relative Dichte des Rohlings unter dem Grenzdruck grundsätzlich stabil und lässt sich nur schwer erhöhen. Das Pressen des Ziegelrohlings ist abgeschlossen. Während des Formpressvorgangs muss die verzögerte Ausdehnung des Grünkörpers aufgrund elastischer Nachwirkungen auf weniger als 2 % begrenzt werden. Geschieht dies nicht, führt dies häufig dazu, dass das Produkt während des Pressvorgangs abgelehnt wird. Wenn der Grünkörper entlang der Richtung des ausgeübten Drucks eine „Schichtdichte“ mit einem Dichteunterschied von mehr als 2 % bildet, kommt es wahrscheinlich zu Schichtrissen im Grünkörper. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Wärmeausdehnung während des Brennens, was zu erheblichen thermischen Spannungen und der Bildung von Längsrissen parallel zu den Dichteschichten führt, was zum Ausschuss des Produkts führt.
Beim Formpressen wird Druck verwendet, um die innere Reibung zwischen den Partikeln, die äußere Reibung zwischen den Partikeln und der Formwand sowie die Verformung des gepressten Grünkörpers zu überwinden. Mit zunehmendem Abstand vom Presskopf nimmt der Innendruck des Grünkörpers ab.
Daher ist es beim Pressen von Quarzsteinen am besten, kurze Formen mit einem kleinen Seitenverhältnis anstelle von hohen Formen mit einem großen Seitenverhältnis zu verwenden, um eine gleichmäßige Druckverteilung innerhalb des Grünkörpers zu gewährleisten. Gleichzeitig werden bestimmte Weichmacher und Tenside in den Rohling eingebracht, um innere Reibung und Druckübertragungsverluste zu reduzieren; Die Oberflächen der Formen werden verbessert oder geschmiert, um die äußere Reibung zu verringern. Durch doppelseitiges Pressen wird das L/D-Verhältnis des Rohlings verringert. und mehrere Druckbeaufschlagungen, beginnend mit leicht und dann stark, werden eingesetzt, um einen übermäßigen Druckaufbau im Rohling zu verhindern und elastische Nachwirkungen zu beseitigen. Diese Maßnahmen verbessern die Gleichmäßigkeit von Druck und Dichte innerhalb des Rohlings. Dies verhindert eine hohe Dichte in der Nähe der Druckoberfläche und eine niedrige Dichte weit entfernt von der Druckoberfläche innerhalb des Quarzsteinrohlings, wodurch die Bildung von Schichtdichte und Rissen verringert wird.
Darüber hinaus werden Quarzsteinrohlinge durch Mischen von Zuschlagstoffen, Klinker, Kugelmühlenpulver, Mineralisator, Sulfitzellstoff-Ablauge und Weichmacher hergestellt. Auch eine Verbesserung des Rohlingknetprozesses kann dazu beitragen, die Dichte des Rohlings zu erhöhen. In Bezug auf die physikalische Mischtechnologie wird die Bewegung von Materialien in derselben Phase als Mischen bezeichnet, die Bewegung von Materialien in verschiedenen Phasen als Rühren und das Mischen von hochviskosen Flüssigkeiten und Feststoffen als Kneten (Kneten und Mischen). Durch richtiges Kneten kann feines Pulver um größere Partikel herum aufgetragen werden, wodurch Gase wirksam entfernt und die Verdichtung des Ziegels erhöht werden, wodurch die Porosität des Ziegels verringert wird.
2. Brennvorgang
Beim Sintern von Quarzsteinen handelt es sich im Wesentlichen um eine polykristalline Umwandlung von SiO2. Unter der Wirkung von Mineralisatoren wird das Siliciumdioxid-Rohmaterial langsam gesintert und wandelt sich im Wesentlichen in Tridymit und Cristobalit mit nur geringen Restmengen an Quarz um. Während des Gebrauchs kommt es bei Silikat-Schamottesteinen zu einer Gesamtvolumenausdehnung von 1,5 % bis 2,2 %, wenn sie auf 1450 Grad erhitzt werden. Diese Restdehnung dichtet die Mörtelfugen ab und gewährleistet so eine gute Dichtheit und strukturelle Festigkeit des Quarzsteinmauerwerks. Darüber hinaus erfordert diese polykristalline Umwandlung von SiO2, dass Silikat-Schamottsteine im Fokus der feuerfesten Materialüberwachung während der ersten Brennphase des Ofens stehen, wobei eine langsame und gleichmäßige Aufheizrate das Merkmal ist. Da die Kristallumwandlung von - und -Cristobalit in Silikat-Schamottesteinen mit einem erheblichen Volumeneffekt im Temperaturbereich von 150–300 Grad einhergeht, sollte beim Brennen im Ofen besonders darauf geachtet werden, die Temperatur in diesem Bereich langsam zu erhöhen.
Die physikalischen und chemischen Veränderungen, die beim Brennen von Quarzsteinen auftreten, lassen sich wie folgt zusammenfassen:
① Restfeuchtigkeit in den Ziegeln wird bei Temperaturen unter 150 Grad entfernt.
② Ca(OH)2 beginnt sich zwischen 450 und 550 Grad zu zersetzen und ist bei 550 Grad abgeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt werden die Bindungen zwischen den Quarzsteinpartikeln durch die Einwirkung von CaO und anderen Substanzen aufgebrochen, was zu einer Abnahme der Festigkeit und einem spröden Ziegel führt.
③ Bei 550-650 Grad verwandeln sich Quarzsteine in Monoquarz, was zu einer Volumenausdehnung führt.
④ Bei 600-700 Grad findet eine Festphasenreaktion zwischen CaO und SiO2 statt, wodurch die Festigkeit des Ziegels erhöht wird.
⑤ Bei 800-1100 Grad findet in den Ziegeln eine Flüssigphasenreaktion statt, die die Festigkeit der Ziegel schnell erhöht. Ab 1100 Grad steigt die Geschwindigkeit der Quarzumwandlung deutlich an und es bildet sich Quarz geringer Dichte, was zu einer erheblichen Volumenausdehnung führt.
⑥ Bei 1300–1350 Grad nimmt aufgrund der Zunahme der Menge an Tridymit und Cristobalit das tatsächliche spezifische Gewicht des Grünkörpers ab und die Volumenausdehnung nimmt zu, was zu Rissen führen kann.
⑦ Bei 1350–1470 Grad sind der Grad der Quarzumwandlung und die daraus resultierende Ausdehnung sehr groß. Nur Monoquarz, metastabiler Cristobalit, Mineralisatoren und Verunreinigungen interagieren, um eine flüssige Phase zu bilden, und dringen in die Quarzpartikel ein, um Risse zu bilden, wenn metastabiler Cristobalit gebildet wird. Dies fördert die kontinuierliche Auflösung von Monoquarz und metastabilem Cristobalit in der gebildeten flüssigen Phase, wodurch diese zu einer übersättigten Schmelze aus Silizium und Sauerstoff wird und dann kontinuierlich aus der Schmelze in Form von stabilem Tridymit kristallisiert. Zu diesem Zeitpunkt gilt: Je höher die Viskosität der flüssigen Phase, desto schneller ist die Umwandlungsgeschwindigkeit des Quarzsteins und desto größer ist die Möglichkeit von Rissen im Ziegelgrünkörper. Um zu verhindern, dass der Quarzstein während des Brennprozesses Kristallformveränderungen erfährt, die mit großen Volumenänderungen einhergehen und zur Bildung von Rissen führen, müssen daher die folgenden Prozessmaßnahmen ergriffen werden:
(1) Steuern Sie die Heizrate verschiedener Brenntemperaturbereiche. Die Aufheizgeschwindigkeit sollte verlangsamt werden, wenn die Temperatur weniger als 600 Grad beträgt. Die Aufheizgeschwindigkeit kann beschleunigt werden, wenn die Temperatur zwischen 600 und 1000 Grad liegt. Die Aufheizgeschwindigkeit sollte langsam sein, wenn die Temperatur zwischen 1100 und 1300 Grad liegt. Wenn die Temperatur zwischen 1300 Grad und der Brenntemperatur (1430 bis 1450 Grad) liegt, sollte die Aufheizgeschwindigkeit während des Brennvorgangs am langsamsten sein. Wenn die gebrannten Quarzsteine auf unter 600 Grad, insbesondere auf 300 Grad, abgekühlt werden, sollten sie langsam abgekühlt werden. Dadurch kann die Volumenänderung der Kristallumwandlung effektiv abgepuffert werden, wodurch der Gehalt an Tridymit und Cristobalit erhöht und die Bildung von Rissen vermieden wird.
(2) Während der Hochtemperatur-Brennphase sollte eine reduzierende Atmosphäre verwendet werden, die die Mineralisierung von nieder{2}wertigem Eisenoxid begünstigt und die Produktion von Tridymit in großem Maßstab fördert. Andernfalls wird in einer oxidierenden Atmosphäre, insbesondere wenn der Mineralisator nicht ausreicht, der größte Teil des -Quarzes in -Cristobalit umgewandelt. Diese Umwandlung wird als „Trockenumwandlung“ bezeichnet. Bei der Trockenumwandlung wird die Produktstruktur aufgrund der ungleichmäßigen Volumenausdehnung des Ziegelkörpers und der fehlenden Pufferspannung der flüssigen Phase locker und rissig. Gleichzeitig sollte bei verschiedenen Temperaturstufen des Quarzsteinbrennens eine ordnungsgemäße Isolierung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Quarzsteine eine angemessene Phasenzusammensetzung aufweisen und den Nutzungsanforderungen entsprechen.
(3) Verbessern Sie das Ladesystem für Halbfertigprodukte, um die Wahrscheinlichkeit von Rissen zu verringern. Querrisse in feuerfesten Quarzsteinen, also Risse parallel zur Druckrichtung des Produkts, werden normalerweise durch eine ungleichmäßige Erwärmung der verschiedenen Teile des Produkts während des Brennens verursacht. Sie treten meist auf der dem Feuer-exponierten Oberfläche außerhalb des Ziegelstapels auf, insbesondere auf der Oberfläche des obersten Produkts. Die Maschenrisse auf der Oberfläche von Silica-Schamottsteinen werden neben den mikroskopischen Unebenheiten des Grünkörpers selbst aufgrund ungleichmäßiger Kneteung oder Veränderungen der Rohstoffe in der Regel dadurch verursacht, dass das Produkt auf eine zu hohe Temperatur mit großen Schwankungen erhitzt wird. Beim Beladen müssen spezielle Siliziumsteine innerhalb des Ofenwagens platziert werden, und gewöhnliche Standardsteine müssen außerhalb des Ofenwagens platziert werden; die hervorstehenden Teile von speziell geformten Ziegeln oder Teile, die zu Rissen neigen, sollten nach innen gelegt werden; Die Oberseite des Ofenwagens sollte mit einigen dünnen Ziegeln abgedeckt werden, um einen direkten Einfluss der Flamme usw. zu vermeiden. Andernfalls entstehen weitere Risse.
Risse sind ein wesentlicher Faktor, der die Ausbeute und Leistung von Siliziumziegeln beeinflusst. Die Beherrschung der Pressform- und Brennprozesse ist der Schlüssel zur Vermeidung von Rissen in Quarzsteinen. Theoretische und tatsächliche Umwandlungen von Silica-Rohstoffen variieren und der Brennplan muss in Echtzeit basierend auf Änderungen bei Rohstoffen, Ziegeltyp und anderen Faktoren angepasst werden. Die Vorbereitung und Qualität der Quarzstein-Rohlinge sind wichtige, ja sogar kritische Faktoren. Nur durch eine strikte Kontrolle jedes Prozessschritts können Hochleistungs-Silikatsteine effizient und mit geringem Energieverbrauch hergestellt werden.
