本发明涉及耐火材料制造技术领域，尤其涉及一种高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖及其制备方法。
背景技术：
传统硅砖在玻璃窑炉的使用上有着难以解决的问题：由于传统硅砖生产中必须加入矿化剂，传统硅砖的抗碱侵蚀能力难以提高。
在制备硅砖时，原料中有少量的氧化铁和氧化铝，至少有2.0％氧化钙矿化剂的添加，使得硅砖在全氧燃烧炉和高硼玻璃熔窑上显得力不从心。由于全氧燃烧窑炉的气氛中没有氮气参与，燃烧使得废气总量减少而浓度增加，另外，燃烧空间内naoh蒸发量增多，硅砖中的钙硅结合相与naoh反应会在硅砖中形成玻璃相，并会逐渐溶解二氧化硅颗粒，在很短时间内硅砖就会由于大量玻璃相的存在而开始溶解掉落，在全氧燃烧玻璃窑炉中碱性挥发物的侵蚀是传统蓄热室池炉的几倍，即使是低钙、低熔剂指数的硅砖也不能满足全氧燃烧炉等苛刻要求的窑炉使用。
另外，传统硅砖中的主晶相磷石英和方石英在较低温度下就发生快速转变，硅砖使用时必须长时间谨慎烘炉，才能防止二氧化硅低温转变带来的体积膨胀效应对窑炉产生破坏。因此，玻璃窑完成砌筑后的烘炉时间长，问题多，难度大，存在烘炉失败的风险。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术中，传统硅砖杂质含量高，抗碱侵蚀能力差，晶型转化不完全等问题，提出一种抗碱侵蚀能力强、低热膨胀、快速烘炉的以方石英为主晶相高纯硅砖及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖，原始料为：熔融石英骨料、熔融石英细粉、含锆sio2微粉、糊精；外加硼酸、纳米硅溶胶结合剂、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠结合剂；混炼，压制成型，干燥，特殊高温烧成工艺制备得到。
本发明原始料的加入重量份数为：熔融石英骨料35-55份，熔融石英细粉40-60份，含锆sio2微粉3-8份，硼酸细粉1-2.5份，糊精0-2份，纳米硅溶胶结合剂1-5份，三聚磷酸钠和六偏磷酸钠结合剂0-0.5份。
所述石英骨料为熔融石英颗粒，纯度＞99.99%，粒度≤5mm。
所述石英细粉为熔融石英细粉，纯度＞99.99%，粒度≤0.09mm。
所述熔融石英骨料和熔融石英细粉均为非晶态石英玻璃相，经过酸洗处理。
所述含锆sio2微粉纯度≥97%，粒度≤0.001mm；
所述纳米硅溶胶结合剂纯度＞99%，粒度1-20nm。
本发明的这种高纯硅质耐火材料预制件的制备方法为：
按上述比例进行配料，将称好的物料在混合搅拌机中干混5-10分钟后，加入的液体添加剂混合液湿混10分钟，再高速混合10分钟，压制成型；80-120℃干燥12-36h；烧成温度1200~1400℃，保温时间18-25h，即得到这种高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖。
现有技术中，硅砖生产过程就是利用二氧化硅高温变体转变特性人工制取鳞石英和方石英的过程。在高温下石英转变为鳞石英或方石英时，在矿化剂很少或几乎没有时，α-石英也可以转化成α-方石英，这种转变称“干转化”。在干转化时，由于砖体的不均匀体积膨胀很大，而又无液相缓冲应力，因而引起制品结构松散和开裂，没有矿化剂不可能制得良好性能的制品。所以在硅砖生产中必须添加对硅砖高温性能影响小的氧化钙作为矿化剂。现有技术中，常使用氧化钙矿化剂，氧化钙矿化剂既能促进石英转化，而不显著降低其耐火度，还能防止制品烧成时因发生急剧膨胀而产生疏松和开裂。但是，矿化剂中cao以及硅石原料中的杂质成分al2o3、fe2o3、k2o、na2o等低熔点氧化物的存在，使得1600℃以上高温硅砖的抗碱侵蚀性降低。
然而，本发明克服了现有技术的偏见，创新地不使用任何矿化剂，本发明而是采用高纯度原料及匹配的烧成制度，并共同作用，就可以不添加cao、fe2o3矿化剂等非硅质成分，而是通过使用含锆sio2微粉作为烧结剂，并且通过硼酸来促进烧结，并使烧成过程中的晶型快速转化为方石英。
本发明采用含锆sio2微粉，不同于普通sio2微粉，含锆sio2微粉可以提高制品的热震稳定性，另外，含锆sio2微粉粒度≤0.001mm，部分超细微粉交织在非晶态石英玻璃相和方石英晶相的晶须周围，从而提高了最终制品在1550-1650℃环境中承受高温荷载的能力，以及在恶劣环境下的抗碱性能。
本发明通过加入硼酸，硼酸可以促进烧结，提高石英玻璃析晶比例，并与纳米硅溶胶结合剂相互作用，纳米硅溶胶结合剂粒度1-20nm，纳米硅溶胶的纳米颗粒渗入到熔融石英骨料、细粉、含锆sio2微粉和硼酸细粉中，使原料完全进行融合，既能促进方石英转化，又能保证制品的低膨胀性，使其膨胀系数降到1以下。
本发明通过引入纯度＞99.99%的熔融石英，且经过酸洗处理，酸洗处理去除了原料中的杂质。使得制品sio2含量＞99%，高纯含量避免了al2o3、tio2、r2o、cao对制品高温强度的影响，荷重软化温度达到1700℃以上，并且制品中不含al2o3、cao，保证了玻璃窑炉中的碱蒸汽反应后不会被侵蚀，不会被扩散渗透形成变质层，显示了其高抗碱性能。
本发明通过采用具有非晶态石英玻璃相的熔融石英原料，同时采用了合理的高温烧成制度来控制晶相转变和转变率。
非晶态石英玻璃相在高温烧成下，粘度增大，耐温性提高，并随温度升高其强度也升高，然而，这些使普通耐火材料所不具备的这一特点。另外，非晶态石英玻璃相在1100℃开始析晶，开始转化为方石英，方石英具有高温稳定性，但烧成温度越高，方石英含量也越高，在1450℃以上非晶态石英玻璃相会全部转变为方石英晶相，但如果全部为方石英晶相，会使最终制品的热震性能减低。
然而本发明采用1200~1400℃的烧成温度，低于现有技术中，普通硅砖1420℃以上的烧成温度，本发明从而控制了非晶态石英玻璃相部分转化为方石英，因此，本发明的高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖是由非晶态石英玻璃相和方石英晶相共存，非晶态石英玻璃相使其具有耐高温抗侵蚀的能力，方石英晶相使其具有高荷软低膨胀性能，所以高温性能和抗碱性能完全优于普通的硅砖。
因此，本发明采用了合理的烧成温度和保温时间有效的控制了石英玻璃的析晶速度和析晶程度，使制品矿物相组成石英玻璃和方石英共存，且矿物相组分比例使性能达到最优点。
本发明这种高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖的主晶相为石英玻璃相和方石英相，sio2含量＞99%，杂质（al2o3+cao）含量＜0.2%，体积密度≥1.88g/cm3，常温耐压强度＞40mpa，荷重软化温度t0.6（0.2mpa）＞1700℃，热膨胀系数（1000℃）＜1%。
具体实施方式
下面举例说明本发明的实施及特点，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1：
一种高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖，各原料的粒度组成及加入比例为：
粒度≤5mm的熔融石英骨料40份，粒度≤0.09mm的熔融石英细粉51份，粒度≤0.001mm的含锆sio2微粉3份，纳米硅溶胶结合剂3份，硼酸细粉1份，糊精1.5份，三聚磷酸钠和六偏磷酸钠结合剂0.5份。
实施例2：
一种高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖，各原料的粒度组成及加入比例为：
粒度≤5mm的熔融石英骨料35份，粒度≤0.09mm的熔融石英细粉53份，粒度≤0.001mm的含锆sio2微粉5份，纳米硅溶胶结合剂4份，硼酸细粉1.5份，糊精1份，三聚磷酸钠和六偏磷酸钠结合剂0.5份。
实施例3：
一种高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖，各原料的粒度组成及加入比例为：
粒度≤5mm的熔融石英骨料44份，粒度≤0.09mm的熔融石英细粉43份，粒度≤0.001mm的含锆sio2微粉8份，纳米硅溶胶结合剂2份，硼酸细粉2.5份，糊精0.5份。
实施例1、2、3的制备工艺为：按上述比例进行配料，将称好的物料在混合搅拌机中干混5-10分钟后，加入的液体添加剂混合液湿混10分钟，再高速混合10分钟。压制成型；80-120℃干燥12-36h；烧成温度1200-1400℃，保温时间18-25h。即得到这种高纯方石英高抗碱低热膨胀硅砖。
所得产品的性能指标为：