硅莫砖的技术性能及其在水泥回转窑的应用

碳化硅与高铝矾土熟料生产碳化硅莫来石符合耐火制品的工艺技术发展，由于碳化硅氧化产生二氧化硅，与三氧化二铝反应形成莫来石(3Al2O3˙2SiO2)，能提高制品致密度和强度，在制品表面形成保护膜，可防止碳化硅进一步氧化，使碳化硅在高铝碳化硅砖中保持一定含量，提高制品的热震稳定性、耐磨性、抗侵蚀性。高强致密硅莫砖在水泥回转窑筒体上除烧成带以外的各个段带的使用寿命比高铝砖提高3～4倍。

硅莫砖，有“耐磨砖”的谐音，20世纪90年代初试制成功，曾叫HMS高耐磨砖，耐磨系数高于磷酸盐结合高铝砖五倍以上[1]。就其物相成分来讲应该为碳化硅—莫来石制品，简称硅莫砖。这个称谓大多在建材行业流行，其他行业一般称为高铝碳化硅砖、三氧化二铝—碳化硅砖。

近年来，硅莫砖在水泥回转窑的应用得到快速发展，特别是新型干法窑的出现和大型化，窑的转速、窑内热应力强度大幅度提高，对耐火材料的材质、理化性能提出了新的更高要求。因此水泥回转窑除烧成带在其所挂窑皮的保护下尚在使用镁铬砖外，次烧成带、过渡带、冷却带在改用硅莫砖后，效果明显好于镁铬砖。

目前国内江苏、山西、山东、浙江等省有数十家耐火材料企业生产这种产品。由于这种产品原料来源方便，工艺要求不严，各企业实际产能很大，只要能生产粘土砖或高铝砖就能生产硅莫砖。产品供大于求，市场竞争激烈。硅莫砖具有耐高温、抗侵蚀、抗磨损特性，不过由于各企业的技术水平差异，产品质量也不同。如何生产质量高的硅莫砖，提高水泥窑用耐火材料的使用寿命，本文作些探讨，供硅莫砖的生产和使用参考。

1 硅莫砖工艺技术的发展

早在1891年美国人艾奇逊发明合成碳化硅，1903年碳化硅砖试制成功，距今己经一百多年了。众所周知，碳化硅耐火度高，在还原气氛中到2 600 ℃一直是稳定的;硬度大(莫氏硬度9～9.5)，仅次于金刚石;热导率高(至500 ℃时达64.4 W/m˙K，到875 ℃时达41.4 W/m˙K)，热膨胀系数比较小(5.0×10-6/c)。碳化硅为共价健结合。不存在通常所说的烧结性，而靠化学反应生成新相达到烧结，即反应烧结。因此碳化硅制品按结合相不同分为粘土结合、莫来石结合、二氧化硅结合、Si2N2O结合、Si3N4结合、Sia/on结合等碳化硅制品。其性能指标见文献[2]，莫来石及刚玉莫来石结合的制品强度高，见表1。碳化硅系人工合成，其制品成本高，特别是氮化硅、赛隆、重结晶结合等制品，生产技术复杂，设备要求高。并且碳化硅制品的热导率高(15～17 W/m˙K)，并非是水泥窑的理想耐火材料。我国试用过，没有推广[3]。

20世纪80年代末期，国际上开始研究二元系乃至三元系中氧化物与非氧化物的复相耐火材料，在著名耐火材料专家钟香崇院士的领导下，我国也进行了复相耐火材料的研究工作，作为非氧化物，人们熟知的SiC得到格外关注，于是SiC刚玉制品、SiC锆英石制品、SiC莫来石制品等先后研制成功。这些复相耐火材料的特点是常温和高温强度比单一氧化物材料高，抗氧化性能比单一SiC好，而这些复相材料的氧化属于保护性氧化，材料表层的SiC氧化为SiO2，在材料表面逐渐形成保护层，阻碍了氧化向制品内部进一步渗透。这些复相制品烧成温度较单一氧化物制品低，而制品强度却高。在我国研究比较多的是纯刚玉SiC制品，其次是刚玉莫来石制品，刚玉硬度大(莫氏硬度为9.0～9.2)，耐磨性好，但结合度不如莫来石刚玉制品。含SiC复相材料的强度指标取决于结合相，也可以说是制品烧成时的二次莫来石化程度。纯刚玉SiC制品，靠SiC氧化产生的SiO2与基质中的Al2O3反应形成莫来石结合，根据参考文献[5]介绍，SiC加入量10%～15%综合指标较好，SiC过量，不利于成型，坯体性能下降。而且还要尽量保护SiC不被氧化，发挥SiC在制品中的作用，提高制品热震稳定性、耐磨性等指标。因此纯刚玉SiC制品靠SiC氧化而形成的二次莫来石有限，烧成温度也高，要靠添加金属Si、Al粉等添加物来实现二次莫来石化。纯刚玉及添加物售价高，制品的成本与使用寿命不成正比。我国天然高铝矾土得天独厚，而且属于水铝石—高岭石型，用高铝矾土熟料与SiC生产复相耐火材料，自然受到关注，在20世纪90年代初期就有人生产这种制品，在冶金、电力系统广泛应用。其实水泥行业的硅莫砖与冶金行业的高铝SiC砖没有多大差别，也是用高铝熟料与SiC配料制取的制品，并非用纯莫来石、SiC生产。众所周知，我国的特等和一等高铝熟料主要由刚玉莫来石及少量玻璃相组成，它构成硅莫砖的骨架，基质由SiC、Al2O3、SiO2质材料构成。二次莫来石化效应是由碳化硅氧化产生的SiO2与Al2O3反应产生。烧成过程发生下列反应：