不同耐火材料抗堿腐蝕特性研究
編輯：寰洋實(shí)業(yè)????
????日期：2022-03-09
氣化爐中各氣氛腐蝕中，堿侵蝕對(duì)耐材內(nèi)襯的破壞作用尤其強(qiáng)。爐內(nèi)的堿金屬蒸發(fā)、凝聚至耐火磚襯，尤其是縫隙處，在其中富集、滲透，導(dǎo)致磚襯腐蝕、開裂，耐材內(nèi)襯遭受破壞。
目前，在堿金屬對(duì)耐火材料的腐蝕方面，國內(nèi)外開展了大量工作，含堿工況下常用耐火材料的抗堿腐蝕性如下：
堿金屬對(duì)Al2O3-SiO2質(zhì)耐火材料的侵蝕是因?yàn)樾纬闪税琢袷?、鉀霞石?beta;-剛玉等，其的生成導(dǎo)致耐材內(nèi)襯體積發(fā)生膨脹，導(dǎo)致了堿裂解現(xiàn)象的發(fā)生。反應(yīng)產(chǎn)物取決于堿濃度和耐火材料中的Al2O3、SiO2 的含量。堿金屬對(duì)各種硅鋁質(zhì)耐火材料膨脹破壞的程度各不相同。
高鋁磚(莫來石成分)的耐火材料差，破損膨脹嚴(yán)重。堿金屬同莫來石反應(yīng)，在700～1100 ℃生成霞石，含堿物相的生成會(huì)產(chǎn)生20%～25%的體積膨脹，導(dǎo)致材料損毀。
剛玉質(zhì)耐火材料抗堿金屬性能較好, 體積變化小。堿侵蝕的機(jī)理為：晶界物質(zhì)與含堿材料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了新物質(zhì)，且該物質(zhì)產(chǎn)生了一定的體積膨脹，導(dǎo)致剛玉耐材試塊的碎裂，即一定溫度、壓力下K2O和Al2O3形成固溶體鉀的過程，化學(xué)反應(yīng)如下：
另外，堿金屬對(duì)耐火材料的腐蝕性能受具體反應(yīng)溫度、氣氛、反應(yīng)時(shí)間及堿金屬存在形態(tài)的影響。不同氣化工藝在選擇氣化爐內(nèi)襯耐火材料時(shí)，應(yīng)結(jié)合自身工藝特點(diǎn)及在氣化爐內(nèi)使用部位、具體反應(yīng)工藝條件（氣氛、溫度等）、K 形態(tài)等的不同而選取不同的耐火材料。但在高溫和高堿金屬濃度下，不存在jue對(duì)抗堿金屬侵蝕的硅鋁質(zhì)耐火材料。因此，對(duì)于堿金屬循環(huán)積累嚴(yán)重的高爐，下部不應(yīng)采用高鋁內(nèi)襯，另外，氣孔度是影響耐火材料抗堿金屬性能的關(guān)鍵因素之一。
鎂鉻質(zhì)、鉻剛玉耐火材料耐火度高，高溫強(qiáng)度大，抗熱震性優(yōu)良。由于其良好的抗堿性能及優(yōu)良的耐高溫特性，鎂鉻質(zhì)耐火材料長期用作堿回收爐爐襯耐材。含鉻耐火材料中Cr2O3, 特別是基質(zhì)中的Cr2O3 有利于增大材料密度和熱態(tài)結(jié)合強(qiáng)度，降低氣孔率，改善抗渣侵蝕性。但是Cr2O3 與鉻礦在氧化氣氛下易與堿金屬氧化物（K2O、Na2O）反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的六價(jià)鉻酸鹽，該反應(yīng)的發(fā)生，一方面不僅破壞了Cr2O3 與鉻礦的結(jié)構(gòu)，而且形成的低熔物還會(huì)滲入磚內(nèi)；另一方面鉻酸鹽R2CrO4 是一種弱氧化性化合物，化學(xué)穩(wěn)定性較高，六價(jià)鉻是有毒的并能致癌，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，已將處理“鉻公害”提到了議事日程。
CaO-Al2O3二元系統(tǒng)中包括兩個(gè)重要的化合物，即二鋁酸鈣、六鋁酸鈣。因良好的水硬化能力、脫碳能力及高溫使用性能，在建材、冶金、國防等行業(yè)應(yīng)用廣泛。
六鋁酸鈣（CaAl12O19 或CaO·6Al2O3，簡(jiǎn)寫為CA6，因較佳的理化性能近年來倍受關(guān)注，其在CaO-Al2O3 二元系統(tǒng)中，抗水化性好、熔點(diǎn)（約1830℃分解熔融）。CA6 晶體各向異性生長，可形成六方片狀晶體形貌，該晶型具有微孔結(jié)構(gòu)，且在一定溫度范圍內(nèi)能抑制燒結(jié)，保持材料的顯氣孔率基本不變，降低導(dǎo)熱系數(shù)。值得一提的是，CA6 與Al2O3 具有很好的適配性，兩者因平均熱膨脹系數(shù)十分接近，可以進(jìn)行任意配比而不會(huì)引起膨脹失配。同時(shí)，由于CA6熔點(diǎn)高，在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好，在堿性環(huán)境中具有較好的抗侵蝕能力。六鋁酸鈣材料發(fā)展前景優(yōu)良。
在高溫條件下，剛玉、CA6 都會(huì)同 K2O 反應(yīng)。剛玉與氧化鉀反應(yīng)生成β-剛玉，伴隨著較大的體積膨脹，這是造成耐火內(nèi)襯破壞的主要原因之一。但CA6 的晶體結(jié)構(gòu)與β-Al2O3 晶體結(jié)構(gòu)相似，將Ca2+嵌入層狀氧化鋁中，可在層間吸收堿金屬離子，且體積不會(huì)發(fā)生明顯變化；另外，CA6 的體積密度（3.38g/cm3）與 KA11 的體積密度（3.37 g/cm3）相近，所以當(dāng)CA6 被堿侵蝕時(shí)，與其它的耐火材料相比，其體積穩(wěn)定性更高。
鎂鋁尖晶石（MgO·A12O3 或 MgAl2O4，簡(jiǎn)寫為MA）是MgO-A12O3 二元系統(tǒng)中穩(wěn)定存在化合物。鎂鋁尖晶石為各向同性的八面體結(jié)構(gòu)，Al-O、Mg-O 間以離子鍵結(jié)合，其靜電鍵強(qiáng)度相同，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該種晶體結(jié)構(gòu)保證了MA 耐材優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性及耐磨性能，且在氧化還原性氣氛下，對(duì)游離的SO2/SO3 及K2O/Na2O 具備較佳的抗侵蝕性，因此，MA 在耐火材料行業(yè)應(yīng)用廣泛。另外，鎂鋁尖晶石熔點(diǎn)高（2135 ℃）、導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)小、強(qiáng)度高、硬度大、抗沖擊、抗堿侵蝕能力強(qiáng)，且對(duì)鐵的氧化物的作用也很穩(wěn)定。
鑒于CA6 及MA 均具有較好的抗堿腐蝕性能，且CA6 及MA 的熱膨脹系數(shù)相近、相容性好，可以任意比例配合，不存在膨脹失配問題。因此，可考慮將兩種材料復(fù)合使用，目前已研制出CA6-MA 復(fù)合輕質(zhì)骨料，經(jīng)研究表明其具有良好的熱震穩(wěn)定性、耐侵蝕性、耐磨性能及良好的抗渣侵蝕性。
鋁炭系耐火材料在高爐上應(yīng)用較多，如在存在堿蝕的鐵水預(yù)處理爐、熔融還原爐都有著應(yīng)用或潛在應(yīng)用前景。其中SiAlON （碳化硅類）結(jié)合剛玉材質(zhì)成為大型高爐上的關(guān)鍵耐火材料。在還原性氣氛下，富含堿金屬的高爐爐渣對(duì)SiAlON 結(jié)合剛玉磚的侵蝕速度較小，其侵蝕機(jī)理為SiAlON 與堿蒸氣反應(yīng)生成鉀霞石，并參與了硅酸鹽玻璃相的生成；剛玉顆粒與灰渣中的氧化亞鐵、氧化鈉和氧化鉀等反應(yīng)生成鐵鋁尖晶石及少量針狀β-氧化鋁。但SiC 在氧化性工況下使用，SiC 氧化成SiO2，可生成堿硅酸鹽，產(chǎn)生高溫粘結(jié)相，與表面層反應(yīng)同步，易形成掛渣層。這一方面可能會(huì)減緩堿蝕過程，但該高溫粘結(jié)相的存在同時(shí)會(huì)粘附耐火材料及灰渣，可能進(jìn)一步生成霞石及其他低溫共熔物，造成基質(zhì)脆化損毀。 （網(wǎng)站部分文章來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除。）
