高铝砖产生裂纹的原因简析及改善措施

张成库，李慧雯，邵红

（山东耐材集团鲁耐窑业有限公司，山东淄博 255200）

生产技术

高铝砖产生裂纹的原因简析及改善措施

张成库，李慧雯，邵红

（山东耐材集团鲁耐窑业有限公司，山东淄博 255200）

分析了原料、泥料、成型、干燥、装车、烧成等方面可能导致高铝砖裂纹的原因以及相应的改善措施，高铝砖产生裂纹的原因是多方面的，可能有一种或者几种因素共同起作用，应结合实际采取针对措施，减少以致消除其危害，提高高铝砖产品的合格率。

高铝砖；裂纹；二次莫来石化；压裂

1 前言

高铝砖是Al2O3含量在48%以上的硅酸铝质制品［1］，按照GB/T 2988—2004《高铝砖》分类，高铝砖按理化指标分为：LZ80、LZ75、LZ65、LZ55、LZ48共5个牌号［2］，常用于砌筑高炉、热风炉、电炉炉顶、鼓风炉、反射炉、水泥回转窑内衬、玻璃熔窑的蓄热室和风火隔墙［3］。在高铝砖的生产过程中，因为产品表面和内部产生裂纹而造成的废品是高铝砖的主要废品类型。在生产过程中，就要根据造成高铝砖裂纹的各种因素进行调整改善，来降低高铝砖裂纹发生的概率，提高高铝砖产品的合格率。

2 裂纹原因分析及改善措施

2.1 原料原因及改善措施

生产高铝砖用的主要原料高铝矾土熟料的杂质（特别是K2O和Na2O）和烧结程度会使制品表面产生裂纹。烧结不良的熟料在制品烧成过程中继续收缩且不均匀，引起制品开裂和产生裂纹；同时，在制品的烧成过程中，烧结不良的熟料本身的二次莫来石化（3α-Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2，1 200～1 500℃）仍在继续进行，二次莫来石化主要是指高铝砖生产中结合黏土的SiO2与高铝熟料的Al2O3反应生成莫来石，并伴随体积膨胀（约10%），造成制品收缩不一致，导致了制品表面裂纹数量的增多和开裂程度的加大。

改善措施：高铝砖的主要矿物组成为莫来石、刚玉和玻璃相。随着制品中Al2O3含量的增加，莫来石和刚玉相的数量也增加，玻璃相相应减少，制品的耐火度和高温性能随之提高。实际生产高铝砖时，要注意对所用的高铝矾土熟料的杂质含量进行控制，按照YB/T 5179—2005《高铝矾土熟料》的要求，K2O和Na2O含量≤0.35%～0.6%，尽量采用杂质含量低和烧结程度好的原料进行生产。

一般通过检测熟料的吸水率来判断熟料的烧结程度。生产过程中可以采用吸水率低的的熟料来生产高铝砖，可以有效降低制品表面的裂纹。实践表明，为了避免和减少高铝砖表面网络裂纹产生，对GL-50～GL-90高铝矾土熟料的吸水率分别控制在2.5%～5.0%以下。

2.2 泥料原因及改善措施

泥料中的临界颗粒尺寸、细粉加入量、泥料的混合质量都会影响高铝砖半成品产生裂纹。如基质料一般由细粉组成，烧成过程中产生收缩，而颗粒一般是产生膨胀，两者之间产生较大的变形差而引起内应力，从而使制品产生裂纹。

改善措施：高铝砖泥料搅拌时，必须严格控制加料顺序，混练时先加入颗粒料干混1～3 min，然后加入纸浆结合剂混练2～3 min，最后加入细粉混6～8 min，纸浆有效混练时间不低于10 min。铝砖的泥料粒度常规控制参数：3～2 mm，18%±5%；0.5～0.1 mm，15%±5%；＜0.1 mm，40%±5%。水分含量＜1.5%，实际生产时可以通过调整临界颗粒尺寸、细粉加入量，同时可以引入适量的膨胀剂或者热膨胀率较小的颗粒料，并制定合理的泥料控制参数，以提高泥料的混合质量。

2.3 成型原因及改善措施

高铝砖成型通常采用300 T以上摩擦压力机或自动压砖机成型。由于制品砖型、成型模具、布料不均、操作和压力等原因造成的裂纹，最大特点是规律性强，裂纹的深度、位置、方向基本一致。

1）砖型的原因：由于不同砖型采用不同的模具进行压制，带孔、舌、槽或拐角的模具结构设计不合理，舌槽较多且多在模帮面上不易成型，且两侧模帮均为活板，出模后极易导致裂纹的产生。

2）成型模具设计不合理：由于成型模具设计缺少排气槽、排气孔，砖坯成型出模时易出现裂纹。

3）成型模具安装和使用不合理：模具安装不合理，砖坯成型出模时易出现裂纹。模具使用过程中，模具磨损后成型过程中模型与泥科相互磨擦，模壁表面的光洁度和硬度受到一定的磨损，易造成孔、舌、槽或拐角处出现裂纹。

4）布料不均的原因：布料不均，易使高铝砖砖坯边部与中间部位等的密实度不同，坯体在干燥过程中，因四周的密实度低于中间，边部温度高于中间温度而导致边部水分蒸发快，中间水分蒸发慢，形成边部脱水率大于中部的状况，当边部脱水收缩过快时，坯体边部即产生裂纹。

5）成型操作和成型压力的原因：成型操作时，“短程快打”，“满程狠打”，虽然大部分气体被排除，但仍有一小部分气体被压缩未被完全排出，当此压力超过砖坯的断裂强度，就会造成砖坯产生内部横向裂纹。

改善措施：

1）针对带孔、舌、槽或拐角的砖型，可以设计合适的倒角和锥度参数，压制前模帮刷少量石墨和油的混合物，以方便砖出模，减低因模具结构设计不合理而产生的裂纹。

2）合理设计模具，在所有顶底板侧面均加工2 mm（宽）×1 mm（深）的排气槽，排气槽间距100 mm，以方便成型操作时气体的排出，减少砖坯成型出模时出现裂纹。

除在模具上加工排气槽外，所有产品在顶板面增设排气孔，直径Φ6 mm～Φ15 mm，沿长度方向间隔100～150 mm分布。长度≤230 mm，1个；230～400 mm，2个；＞400 mm，3个。并在非工作面加工5 mm（宽）×2 mm（深）水平通道以利于排气。通过采取以上改进措施，大大降低了砖坯成型压制时产生的内部裂纹。

3）合理安装成型模具，由专职模型质量质检员负责模型现场检查验收，对模型进行砖型核对、尺寸测量，并对验收情况一一记录，同时加强对模具使用情况的检查，对磨损程度较大的模具及时进行烧焊处理，降低因模具磨损而造成的半成品出模裂纹。对于砖型复杂的品种，可以通过模型改进等措施降低生产难度，提高生产效率和产品质量。

4）成型操作时，要注意均匀布料，使高铝砖砖坯边部与中间部位等的密实度基本相同，降低坯体在干燥过程中，因坯体部与中间部位密实度的不同而产生的裂纹。

5）成型操作时，按操作规程压砖，先轻后重，缓慢加压，保证打压次数，注意不要“短程快打”和“满程狠打”，以减少内部裂纹的产生。

2.4 干燥原因及改善措施

由于坯体干燥敏感程度，干燥介质湿度、温度、时间的不同会造成干燥时砖坯产生表面裂纹。砖坯干燥过程中，坯体中水分被蒸发的同时，体积也逐渐缩小。由于坯体干燥速度和收缩速度总是外快内慢，当其收缩量超过泥料的弹性系数（1%～2%）时，即产生网状裂纹。

改善措施：根据砖型大小，制定出合理的干燥制度，确保干燥温度适中和干燥时间充足。如：大异型砖干燥前套塑料袋，先低温、后高温干燥，延长干燥及烧成时间，确保干燥效果，减少干燥时产生的裂纹。

合理调控干燥介质的湿度和温度，降低因温度过高、砖坯内外收缩不一致导致的表面裂纹，确保半成品的干燥时间。一般单重≤15.0 kg的砖坯进高温干燥洞（90～130℃），干燥时间16～24 h，干坯残余水分≤1.5%。单重15.1～25.0 kg的砖坯：先在干燥洞低温区域（60～90℃）干燥1 d，再进干燥洞高温区域（80～120℃）干燥1 d，确保干坯残余水分≤1.5%。单重25.1～60.0 kg的砖坯，先进低温干燥洞（50～90℃）干燥7 d，再倒入高温干燥洞（＞130℃）干燥7 d以上，确保干坯残余水分≤1.0%。单重＞60 kg：砖坯装干燥车后罩塑料袋，顶部扎1.0 mm小孔，先进低温干燥洞（50～90℃）干燥7 d，取下塑料袋，再进入高温干燥洞（90～130℃）干燥8 d以上，确保干坯残余水分≤0.5%。干燥好的砖坯进入烧成带后，可以大大减少因砖坯水分迅速膨胀造成的成品裂纹。

2.5 装车原因及改善措施

由于窑车台面不平整，装车码垛不合理，坯垛中间的砖坯受到相邻砖坯的收缩拉力，当收缩拉力大于其机械强度时，砖坯便被拉裂。坯垛中下层砖坯要承受上层砖坯的重力，层数越高，下层砖坯承受的重力越大，当砖坯承受的重力超过其自身强度时，砖坯便会断裂，一般称为压裂。

改善措施：高铝砖砖坯装窑一般采用平装。装车要确保窑车台面平整，窑车台面用1～3 mm石英砂垫平，防止因窑车台面不平整造成的成品裂纹。为使砖垛牢固，在一定高度要平拉一层垫砖。遵循“上密下稀，中密边稀”的装车原则，砖与砖之间撒3～1 mm石英砂。掌握合理的装车密度及走火缝隙，装砖高度一般为650～1 500 mm，装车缝隙20～50 mm，合理码垛，尽可能地扩大砖体受火面积，为烧成均匀创造条件。

2.6 烧成原因及改善措施

高铝砖的烧结是液相烧结，液相的形成温度和液相量，烧成时的升温速度、气氛条件、坯体在烧成过程中产生的收缩以及二次莫来石化和刚玉再结晶作用会导致不一致收缩，使制品表面产生裂纹。

1）预热带裂纹：干燥后的砖坯进入焙烧窑后仍有两种水分需要缓慢排除，一是自由水，即干燥后的残余水分都会导致制品的表面产生网纹。焙烧窑预热带产生的炸纹多发生在砖坯的大面、中部，裂纹处粗糙，深度大，坯垛干燥不好的部位（背风面、中下部）最严重。

2）烧成带裂纹：在烧成过程中发生的收缩以及二次莫来石化反应和刚玉再结晶作用会导致不一致收缩，使制品表面产生裂纹。由于烧成过程中的化学变化而导致的裂纹很难避免，可以使反应物均匀分散，不至于局部膨胀过大或过小而使裂纹加剧。实际烧成化学变化而产生的膨胀是有利的，如莫来石的形成，可以抵消高温下制品的收缩，保持体积的稳定。

二次莫来石化一般开始于1 200℃，1 400～1 500℃时反应完成。这个反应是高岭石形成莫来石（一次莫来石）时析出来的二氧化硅和刚玉反应而生成的莫来石，称为二次莫来石相，同时有10%左右的体积膨胀。一般来说，二次莫来石量少时，则反应温度偏低。

3）冷却带裂纹：冷却过急产生的裂纹较细、较直，裂纹处比较平滑，有的外观不明显，属于暗纹，敲击有哑音，坯垛边部、迎风面较其他部位严重。

改善措施：高铝砖的烧成温度一般控制在（1 350～1 450）℃×（5～10）h。在高铝砖的烧成过程中，要制定出合理的热工制度，包括温度制度、压力制度、气氛制度。烧成高铝制品时，窑内气氛需弱氧化焰，过剩空气系数控制在1.1～1.2。实践表明，制品表面网络裂纹有随过剩空气系数增大而减少的趋势，但是空气过剩系数波动不宜过大［4］。升温速度随原料和制品的不同而异。600℃以前的低温阶段，应缓慢升温，600～1 200℃升温速度可以稍快，1 200℃至最高烧成温度应控制升温速度。冷却阶段亦应控制降温速度。

3 结语

高铝砖产生裂纹的原因是多方面的，可能有一种或者几种因素共同起作用，但从实质上来分析，主要由于应力的作用超过高铝砖本身承受的应力才导致裂纹的发生。实际生产过程中由于制品物理化学变化而产生的微裂纹有时对制品提高抗热震性能是有益的，就要根据造成高铝砖裂纹的各种因素进行调整改进，减少以致消除其危害，提高高铝砖产品的合格率。

［1］蔡乔方.加热炉［M］.3版.北京：冶金工业出版社，2007.

［2］全国耐火材料标准化技术委员会.耐火材料国家标准汇编上册［M］.4版.北京：中国标准出版社，2010.

［3］钱之荣，范广举.耐火材料使用手册［M］.北京：冶金工业出版社，1992.

［4］任国斌，尹汝珊，张海川，等.Al2O3-SiO2实用耐火材料［M］.北京：冶金工业出版社，1988.

Cause Analysis and Improvement Measures for High Aluminum Content Brick Crack

ZHANG Chengku,LI Huiwen,SHAO Hong

（Lunai Kiln Refractories Co.,Ltd.,Shandong Refractories Group,Zibo 255200,China）

The possible reasons causing high aluminum content brick crack in raw material,pug,shaping,drying,loading and baking were analyzed,and the corresponding improvement measures were introduced.There are many aspects on the crack reason for high aluminum content brick,and one of them or several factors may be play a role.The measures should combine the actual for reducing and eliminating the hazards,and improving the qualified rate of high aluminum content brick products.

high-alumina brick;crack;secondary mullitization;fracturing

TQ175.71+2.2

B

1004-4620（2015）01-0015-03

2014-08-18

张成库，男，1982年生，2009年毕业于辽宁科技大学材料科学与工程专业。现为山东耐材集团鲁耐窑业有限公司质量处助理工程师，从事质量检测技术工作。