玻璃窯錫槽底磚選擇時(shí)主要看這幾個(gè)因素

錫槽底磚是用于砌筑錫槽槽體內(nèi)襯的特殊耐火材料，對(duì)其的質(zhì)量要求著重在尺寸精度、結(jié)構(gòu)均勻性、低發(fā)泡性及低滲透性等方面，對(duì)于耐壓強(qiáng)度等一些常規(guī)的指標(biāo)則無特殊要求。

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的由底磚質(zhì)量問題引起的事故主要有如下幾方面：

(1) 錫槽底磚冒泡，氣泡上浮沖擊未硬化的玻璃帶，在玻璃下表面形成凹坑。

(2) 玻璃釋放的Na₂O滲入底磚結(jié)構(gòu)中，反應(yīng)生成霞石類礦物，伴隨20％左右的體積膨脹，反應(yīng)層剝落上浮。

(3) 磚體水平斷裂，上半塊上浮。

目前衡量底磚發(fā)泡傾向的指標(biāo)為氫擴(kuò)散度，一般認(rèn)為氫擴(kuò)散度小于150mmH₂O即可防止冒泡。透氣度則用于判斷底磚抗Na₂O的滲透能力，從一個(gè)側(cè)面間接判斷抗霞石化的能力，透氣度越小，抗Na₂O滲透能力越好。防止磚體水平斷裂上浮的指標(biāo)常用應(yīng)變率，即磚體通過變形釋放內(nèi)應(yīng)力的能力。

本文在介紹氫擴(kuò)散度，透氣度，應(yīng)變率及其相互關(guān)系之后，對(duì)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的性能指標(biāo)作了比較討論。

底磚的一些性能指標(biāo)

為了解決上述三方面的問題，相應(yīng)對(duì)錫槽底磚提出了三方面的質(zhì)量指標(biāo)要求。

2.1氫擴(kuò)散度

以被試樣所封閉的氣室的壓力與大氣壓力之差來表示，如圖所示。測(cè)試時(shí)，先打開放空閥，再打開進(jìn)氣閥，此時(shí)U形計(jì)指示為零，進(jìn)氣持續(xù)幾分鐘后，同時(shí)關(guān)閉兩閥(或略微超前關(guān)閉進(jìn)氣閥，再關(guān)放空閥)。此時(shí)可以觀察到U形計(jì)指示的氣室內(nèi)壓力迅速下降，到最低點(diǎn)后回升，最低點(diǎn)的讀數(shù)即是通常所指的氫擴(kuò)散度，一般認(rèn)為此值只要小于1471Pa(150mmH₂O)即可保證不冒泡。

氫擴(kuò)散度實(shí)質(zhì)上是氫向外擴(kuò)散與空氣向內(nèi)擴(kuò)散兩種相反過程作用的平衡點(diǎn)。初期，由于氫分子小，擴(kuò)散能力強(qiáng)，氫擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣擴(kuò)散速度，凈結(jié)果是氣室中氣體數(shù)量減少，壓力下降。隨著擴(kuò)散的進(jìn)展，氣室中的氫氣越來越少，擴(kuò)散推動(dòng)力漸漸消退，擴(kuò)散速度逐漸放慢，逐漸接近空氣向內(nèi)的擴(kuò)散速度，兩者相等時(shí)，U形壓力計(jì)指示達(dá)最低點(diǎn)(即最大負(fù)壓)。此后，空氣向內(nèi)擴(kuò)散速度高于氫氣向外擴(kuò)散速度，故壓力出現(xiàn)回升。

可見，氫擴(kuò)散度指標(biāo)并非代表氫氣通過一定面積和厚度的試樣的能力，而是代表氫氣與空氣通過該試樣的相對(duì)能力，其數(shù)值受氫擴(kuò)散速度及空氣擴(kuò)散速度兩因素的制約。氫擴(kuò)散度小，并不一定表示氫氣通過試樣的能力弱。我們?cè)褂枚N完全不同的耐火材料試樣進(jìn)行氫擴(kuò)散度測(cè)定，得到數(shù)值卻基本相同。一種試樣是電熔磚樣品，其氣孔率極低，顯然氫氣透過此樣品的能力是極微的。

另一種用經(jīng)300℃高溫烘干處理的耐火混凝土樣品，樣品中大量水烘走后，形成許多可供氫擴(kuò)散的快速通道，有很強(qiáng)的氫透過能力。兩種樣品的氫擴(kuò)散度測(cè)定值均很低，只有幾個(gè)毫米水柱。顯然，第一種樣品氣孔率極低，氫及空氣的通過能力均很弱，氣室中氣體量變化很小，因此壓力變化也很小，氫擴(kuò)散度指標(biāo)很低。而第二種樣品中烘干以后留下的微孔直徑較大，為空氣及氫氣提供了同樣的快速通道，結(jié)果是氫往外滲透很快，空氣往里擴(kuò)散也很快，氣室中氣體量同樣變化很小，氫擴(kuò)散度指標(biāo)讀數(shù)當(dāng)然也很小。如果機(jī)械地從氫擴(kuò)散度字面及數(shù)值理解，勢(shì)必得出“氫通過第二種試樣擴(kuò)散的能力也很弱”的錯(cuò)誤結(jié)論。

2.2 透氣度

透氣度是指有壓差的氣體透過耐火材料的能力。根據(jù)流體力學(xué)原理，在層流條件下，當(dāng)氣體通過試樣時(shí)，流過氣體的體積(V)與試樣兩端的壓力差( P)、試樣的截面積(F)以及通氣時(shí)間(t)成正比，和試樣的高度(h)及氣體粘度( n)成反比。即：V=KPtF/(nh)， 比例常數(shù)K即為透氣度，K=Vnh/(PtF) 。一般用空氣進(jìn)行透氣度測(cè)定。不同種類燒結(jié)耐火材料的透氣度指標(biāo)差別較大，范圍可達(dá)零點(diǎn)幾nPm至幾十nPm。

透氣度指標(biāo)一般用于衡量耐火材料抗?jié)B透侵蝕的能力。透氣度大，說明耐火材料中貫通的導(dǎo)流型氣孔較多，孔徑偏大，侵蝕介質(zhì)易滲入耐火材料中。具體對(duì)底磚耐火材料，就是氧化鈉較易滲入磚體引起霞石化剝落。如不考慮其他因數(shù)，單從抗霞石化角度出發(fā)，底磚的透氣度越小越好。

2.3 應(yīng)變率

測(cè)定錫槽底磚應(yīng)變率，一般采用60 mm X 60 mm X 130 mm的試樣，將其豎直放置于材料試驗(yàn)機(jī)上加壓，記錄載荷下試樣高度的變形量，試樣達(dá)到極限屈服前的最大變形量與其原高度之比的百分?jǐn)?shù)即為應(yīng)變率。

應(yīng)變率較大的底磚，其磚體彈性較好，受熱膨脹產(chǎn)生的較高擠壓應(yīng)力能通過變形得到部分釋放，避免了應(yīng)力蓄積引起磚體斷裂浮起。國(guó)外70年代多次發(fā)生底磚“7英寸斷裂上浮”事故，當(dāng)時(shí)所使用底磚的應(yīng)變率一般小于0.5％，磚與磚之間的脹縫也較小，磚體承受極大應(yīng)力，導(dǎo)致沿固定螺栓孔錐臺(tái)處水平斷裂，磚體上半部分浮起。改用高應(yīng)變率的機(jī)壓磚和更高級(jí)的真空澆注磚后，盡管仍沿用小脹縫，此類事故再也沒有出現(xiàn)。國(guó)外最新機(jī)壓磚的應(yīng)變率已超過0.7％， 真空澆注磚的應(yīng)變率則高達(dá)1.5％。國(guó)內(nèi)在槽底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上一直采用大脹縫的做法，沒有對(duì)應(yīng)變率指標(biāo)提出要求，故底磚生產(chǎn)廠并未刻意控制此指標(biāo)，生產(chǎn)的底磚應(yīng)變率為0.5％左右。

一般來說，對(duì)特定成型方法生產(chǎn)的底磚，應(yīng)變率與氣孔率之間成正比關(guān)系，即氣孔率越大，應(yīng)變率就越高。

2.4 氫擴(kuò)散度與透氣度的關(guān)系

在總氣孔率為定值的情況下，氫擴(kuò)散度與透氣度之間存在依存關(guān)系，此關(guān)系依賴于氣孔的分布形態(tài)。如氣孔分布以空氣分子能通過的大直徑氣孔為主，則透氣度較大，而氫擴(kuò)散度較小。當(dāng)氣孔分布以微細(xì)氣孔為主時(shí)，氫分子能通過這些微細(xì)氣孔而較大的空氣分子則難以透過，此時(shí)透氣度指標(biāo)數(shù)值較小，氫擴(kuò)散度指標(biāo)則較大。

需要注意的是：透氣度較大時(shí)，表示試樣透過空氣及氫氣的能力均較大，對(duì)于大分子空氣能鉆入的氣孔，小分子的氫氣當(dāng)然也能鉆入。理解氫擴(kuò)散度與透氣性兩者之間反比關(guān)系的基礎(chǔ)是注意避免混淆氫擴(kuò)散度與氫透過能力二個(gè)不同概念。

2.5氣孔率與氫擴(kuò)散度、透氣度以及應(yīng)變率之間的關(guān)系

在一般情況下，如果不去刻意追求氣孔分布，只在氣孔率大小方面進(jìn)行人為控制，則實(shí)踐中一般出現(xiàn)如下情況：氣孔率越高，氫擴(kuò)散度越大，透氣度與磚的應(yīng)變率也越大。在底磚生產(chǎn)工藝中，如果不考慮控制應(yīng)變率參數(shù)，則可通過降低磚氣孔率的辦法獲取低氫擴(kuò)散度和低透氣度的磚。國(guó)產(chǎn)底磚走的正是這樣一條路，早期由于無專業(yè)廠家生產(chǎn)成品磚，浮法廠只能直接購(gòu)入未經(jīng)加工的粘土大磚，在現(xiàn)場(chǎng)自行加工。這些磚一般用于大窯池底，為安全起見，在設(shè)計(jì)上將槽底磚之間的膨脹縫留得比較大，以避免磚相互擠壓，造成層裂上浮。后來雖出現(xiàn)多家專業(yè)底磚生產(chǎn)廠，但設(shè)計(jì)上仍沿用大脹縫做法，故一直未對(duì)磚提出應(yīng)變率要求，生產(chǎn)廠無須費(fèi)心在應(yīng)變率及氫擴(kuò)散度指標(biāo)之間進(jìn)行平衡，單純降低氣孔率就可獲得理想氫擴(kuò)散度及透氣度指標(biāo)的磚。

國(guó)內(nèi)外底磚性能的比較

國(guó)內(nèi)外主要牌號(hào)底磚的性能指標(biāo)列于下表。

通過比較不難發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外底磚的內(nèi)在區(qū)別主要在于：

(1)玻璃相含量不同：國(guó)外磚玻璃相含量在25％左右，國(guó)內(nèi)磚僅含少量玻璃相。這種區(qū)別主要由Al2O3及R2O含量不同引起：國(guó)外磚Al2O3為38％~40％，R2O為0.9％~1.5％; 國(guó)產(chǎn)磚的Al2O3含量高達(dá)43％~48％，R2O含量則低于0.85％。

(2)顯氣孔率：國(guó)外機(jī)壓磚顯氣孔率高達(dá)20％~23％，而國(guó)產(chǎn)類似磚的氣孔率一般小于19％，多數(shù)在16％~18％之間。

(3)應(yīng)變率：國(guó)外磚具有較高的應(yīng)變率。獲得高應(yīng)變率的途徑主要是保持較高的氣孔率，因此國(guó)外非真空澆注磚的顯氣孔率在20％以上。真空澆注是一種特殊的工藝，用此工藝生產(chǎn)的底磚雖然顯氣孔率較低，但磚體結(jié)構(gòu)均勻，且含有許多閉口氣孔，加載時(shí)內(nèi)部應(yīng)力集中點(diǎn)較少，所以應(yīng)變率很高。國(guó)產(chǎn)磚此指標(biāo)差距較大，磚體彈性較差，使用時(shí)易發(fā)生斷裂甚至上浮。由于國(guó)內(nèi)浮法界對(duì)槽底預(yù)留較大脹縫的利弊了解不深，為安全起見，一直沿用大脹縫的做法，使底磚在高溫下不相互擠壓，故對(duì)底磚應(yīng)變率指標(biāo)無特殊要求。今后在設(shè)計(jì)上如學(xué)習(xí)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，改用小脹縫，則須下工夫提高國(guó)產(chǎn)磚的應(yīng)變率指標(biāo)。

(4)抗霞石化剝落：國(guó)內(nèi)外磚在抗霞石化方面的主要區(qū)別在于抗霞石化的機(jī)理不同。從使用效果看，國(guó)內(nèi)磚不比進(jìn)口磚差，甚至有優(yōu)于國(guó)外磚的紀(jì)錄。

進(jìn)口磚由于強(qiáng)調(diào)高應(yīng)變率，必須引入較多氣孔。高氣孔率帶來的副作用是抗?jié)B透性差，玻璃帶釋放出的Na₂O易滲入磚體，與磚體組分反應(yīng)生成霞石，伴隨20％左右的體積膨脹，膨脹剪力導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物剝落上浮。為解決此問題，就必須提高磚中玻璃相含量，玻璃相在反應(yīng)產(chǎn)物膨脹時(shí)被擠入氣孔中，一方面補(bǔ)償霞石化的體積膨脹，另一方面堵塞Na₂O進(jìn)一步滲入的通道，使霞石化限制在磚表面極薄的厚度范圍內(nèi)，最大限度地減小反應(yīng)引起的膨脹剪力，防止反應(yīng)物剝落上浮。

國(guó)產(chǎn)磚抗霞石化的能力主要得益于較低的氣孔率，Na₂O難以滲入磚體內(nèi)部，只在磚表面生成霞石薄層，不會(huì)剝落上浮。但如磚體存在開裂、掉角等缺陷時(shí)，缺陷附近磚體結(jié)構(gòu)一般較疏松，Na₂O較易侵入，霞石化層較厚，可觀察到起拱甚至卷曲起皮現(xiàn)象。

結(jié)束語(yǔ)