Кремнеземистый огнеупорный кирпич является одним из ключевых огнеупорных материалов, широко используемых в металлургической, стекловаренной и коксохимической промышленности. Его производство представляет собой сложный технологический процесс, направленный на достижение стабильных высоких эксплуатационных характеристик при работе в экстремальных температурных условиях. Данный обзор детально рассматривает основные этапы и компоненты, влияющие на формирование конечных свойств этого материала.

01. Общий обзор
Кремнеземистый кирпич, как важный вид огнеупорных изделий на основе диоксида кремния, широко применяется в различных высокотемпературных промышленных областях благодаря своим превосходным механическим свойствам при высоких температурах, высокой температуре размягчения под нагрузкой, хорошей ползучести и отличной стойкости к воздействию кислых шлаков.

02. Фазовый состав и эксплуатационные показатели
Кремнеземистый кирпич в основном состоит из трех фаз: тридимита, кристобалита и небольшого количества остаточного кварца, при этом их истинная плотность последовательно возрастает. Истинная плотность, коэффициент теплового расширения, а также относительное содержание тридимита и остаточного кварца являются ключевыми параметрами для оценки качества кирпича. Чем выше степень превращения кварца в тридимит и кристобалит во время обжига, тем ниже содержание остаточного кварца и меньше истинная плотность изделия, что значительно повышает его стабильность объема при высоких температурах и снижает структурные изменения, вызванные вторичным расширением в процессе использования.

03. Типы сырья и критерии выбора
Кремнезем для огнеупорных материалов в основном добывается из кварцитов, которые делятся на два типа: кристаллический и цементированный кварцит. Кристаллический кварцит обычно имеет высокую чистоту, плотную исходную структуру и крупные зерна кварца, но медленное фазовое превращение при нагреве. Цементированный кварцит содержит некоторое количество примесей, имеет несколько более низкую чистоту, мелкозернистую структуру кварца и большее количество цементирующего вещества, что приводит к более быстрому превращению при термообработке. Рациональный выбор сырья и соответствующей производственной технологии является ключом к изготовлению кирпича, подходящего для различных условий эксплуатации. Кроме того, комбинирование двух типов кварцита позволяет объединить их преимущества и оптимизировать свойства продукта.

04. Выбор и механизм действия минерализаторов
При производстве кремнеземистого кирпича часто добавляются минерализаторы. Их основная функция — образование легкоплавких жидких фаз с SiO₂ или другими компонентами, способствующих превращению кварца в тридимит и кристобалит, а также смягчению растрескивания или разрыхления структуры изделия из-за объемного расширения при фазовых переходах.

Обычно используются минерализаторы — известь и окалина. Известь вводится в основном в виде известкового молока, что не только повышает прочность сырца после формования, но и усиливает прочность за счет реакции с SiO₂ в интервале 600–700°C, а при температурах выше 1100°C образует псевдоволластонит, который совместно с другими минерализующими компонентами образует жидкость, способствуя образованию тридимита. Окалина часто используется вместе с известью, значительно снижая температуру образования жидкости и ее вязкость, уменьшая трещинообразование в изделиях. Для обеспечения равномерного распределения и хорошего минерализующего эффекта окалина должна быть измельчена до размера частиц ≤0,088 мм с долей не менее 80%.

Кроме того, подтверждено положительное влияние на образование тридимита таких соединений, как композит флюорита и полевого шпата, MnO₂ и C₃S (трехкальциевый силикат). Размер частиц минерализатора существенно влияет на его эффективность: чем мельче частицы, тем лучше дисперсность и выше эффективность минерализации. Наноразмерные минерализаторы благодаря высокой дисперсности и реакционной способности способствуют лучшей синхронизации объемных изменений между частицами в процессе фазовых превращений, уменьшают трещины и пористость, вызванные внутренними напряжениями, тем самым оптимизируя механические свойства изделия и снижая истинную плотность и содержание остаточного кварца.

05. Применение функциональных добавок
Для дальнейшего улучшения таких свойств, как теплопроводность, износостойкость и термостойкость, в соответствии с требованиями различных условий эксплуатации, помимо оптимизации выбора сырья и минерализаторов, могут вводиться specificческие добавки для корректировки свойств.

Например, введение SiC способствует образованию тридимита, снижает тепловое расширение и высокотемпературную ползучесть изделия, одновременно повышая теплопроводность и прочность на изгиб при высоких температурах; добавление Si₃N₄ (например, в количестве 5%) помогает повысить термостойкость, способствует увеличению содержания тридимита и уплотнению микроструктуры; металлические или оксидные добавки (например, TiO₂) могут снижать кажущуюся пористость, повышать объемную плотность, уменьшать содержание остаточного кварца, увеличивать долю тридимита, тем самым комплексно улучшая прочность и огнеупорные свойства материала.