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耐火材料如何提高抗碱蒸气侵蚀,有哪些途径?

时间:2021-03-17 15:57 作者:耐火材料厂家点击:

抗碱蒸气侵蚀,指耐火材料在高温下耐碱腐蚀的能力。在使用过程中,如在碱回收炉中,在高温环境中,耐火材料对耐火材料炉衬的腐蚀会受到碱浓度、温度和蒸汽浓度的影响,这与炉衬的使用寿命有关,提高耐火产品的抗碱性,可以延长炉衬的使用寿命。
 

碱性耐火材料——镁铬砖
 
碱蒸汽对耐火材料的侵蚀主要与其气孔结构和化学成分有关,气孔结构主要影响碱蒸汽的渗透性过程,化学成分则影响腐蚀过程中的化学反应过程。提高耐火材料耐碱蒸汽腐蚀性能,应从其气孔结构和化学成分等方面入手。
 
为提高耐火材料的耐碱性和耐腐蚀性,除主成分外,还加入了一些附加成分。其原因在于,在烧结过程中加入组分,一方面可以提高材料的致密化程度,减少侵蚀物质的渗透性,另一方面可以改变熔渣的粘度,或吸收部分侵蚀物质。例如,尖晶石可以将Fe2O3和CaO等成分加入到熔渣侵蚀过程中,提高碱性渣渣的粘度,从而降低渣渣对耐火材料的渗透性,因此将尖晶石引入到镁质耐火材料中,可明显提高其抗渗透性。此外,将氧化铝成分引入镁质耐火材料中,使其在高温下原位形成一定含量的尖晶石,同时还可进一步提高抗碱渣渗透能力。
 
一、化学成分。
耐火材料的化学成分一般根据其各成分含量和作用分为主成分、附加成分和杂质成分等。主组分是指对耐火材料的性能起决定作用并构成基质的组分。耐火材料和渣料均可分为酸性和碱性两种类型,为了提高其耐腐蚀性能,腐蚀介质的酸碱性首先要与材料的主成分相匹配。碱度表示方法通常是用碱性氧化物含量与酸性氧化物含量的比值来表示,而渣中CaO含量与SiO2含量的比值则常用。
高碱的渣型为碱性渣型,低碱的渣型为酸性渣型。酸渣渣中含有SiO2、B2O3、P2O5、V2O5和氟化物等多种酸性氧化物,易溶于碱性耐火材料,但对酸性耐火材料的溶蚀作用较弱,碱性耐火材料对碱性耐火材料的侵蚀作用较强,酸性耐火材料对酸性耐火材料的侵蚀作用较强。如在水泥回转窑、垃圾焚烧炉和玻璃窑中,多采用方镁石-尖晶石、镁铬石、白云石等耐火材料作窑衬。
为提高耐火材料的耐碱性和耐腐蚀性,除主成分外,还加入了一些附加成分。其原因在于,在烧结过程中加入组分,一方面可以提高材料的致密化程度,减少侵蚀物质的渗透性,另一方面可以改变熔渣的粘度,或吸收部分侵蚀物质。
例如,尖晶石可以将Fe2O3和CaO等成分加入到熔渣侵蚀过程中,提高碱性渣渣的粘度,从而降低渣渣对耐火材料的渗透性,因此将尖晶石引入到镁质耐火材料中,可明显提高其抗渗透性。此外,将氧化铝成分引入镁质耐火材料中,使其在高温下原位形成一定含量的尖晶石,同时还可进一步提高抗碱渣渗透能力。
 
二、气孔构造。
其气孔结构包括气孔率、气孔直径、气孔闭合率、微孔比例和气孔弯曲度等。空气孔隙结构会影响耐火材料的透气性,进而影响耐火材料中腐蚀气体的渗入过程。耐高温材料气孔直径越小,其气孔结构越复杂,其透气性越差,说明其耐碱蒸汽的透气性越好。
通过调整颗粒级配,在耐火材料中加入一定数量的纳米粉末,可以优化耐火材料气孔结构。研究表明,通过材料内部的物理化学反应来减小孔径大小,减小孔洞连通度,也是调整材料微观结构的重要手段之一。
在耐火材料领域,加入微纳米粒子如碳化物、硼化物、氮化物等,可实现高温扩散或氧化气氛中的氧化,封闭耐火材料的部分气孔,使其具有优异的高温性能。
金属、金属合金、碳化物、氮化物等含碳耐火材料也可用于耐火材料的微孔化设计。在制备和使用过程中,这些物质会形成某种化合物,或者产生一定的体积膨胀效应,从而堵塞部分气孔,降低气孔率,在材料表面形成保护层,从而提高耐火材料的抗渗性。
碳素材料中,微孔化炭砖是通过颗粒的紧密堆积和原位分解膨胀的原理制备的,进一步研究表明,高炉炭砖中的气孔小于1μm或更长时间,铁水、锌等物质就很难被化学腐蚀渗透到材料中。其中,平均孔径和孔径<1微米的孔洞体积率是评价产品质量的重要指标。
类似地,通过引入硅微粉也实现了铝碳耐火材料的微孔化,对不同孔径的耐火材料进行了渗透测试,发现孔径较小的耐火材料具有较低的渗透率,因而这类耐火材料也表现出更好的抗腐蚀性能。
将锆英石引入莫来石质耐火材料和方镁石-尖晶石耐火材料中,结果表明,在分解过程中,锆英石产生了气孔,使材料基质更加致密,同时提高了材料抗碱蚀能力。
研究了红柱石的抗碱蒸汽侵蚀机理,发现当红柱石材料受钠蒸汽侵蚀时,其形成的侵蚀产物会被锁在莫来石网中,从而限制了侵蚀的进一步发生,因而这类材料具有较好的抗碱侵蚀能力。
通过以上工作,可减小耐火材料中腐蚀气体的气孔直径,并可堵塞部分气孔,从而使气孔结构更加复杂,气孔连通度降低,腐蚀气体在耐火材料中渗流的额外阻力和惯性力增大,从而大大减轻材料的腐蚀。
 
增加耐火材料耐碱性的试验方法
,碱蒸汽法
碱蒸试验的基本原理是:碳酸钾(K2CO3)在1100℃时与木炭反应生成碱蒸气,碱蒸气会腐蚀耐火材料样品,产生新的化合物(碱金属的硅酸盐或碳酸盐),从而改变材料的性能。
 
二熔碱坩埚法
熔碱坩埚法实验的基本原理是:在样品内部加入一定量的碱盐-碳酸钾(K2CO3),K2CO3在高温下与试验材料反应产生体积膨胀,在抗碱试验后用肉眼观察样品的腐蚀破坏程度,从而判断出耐火材料的抗碱侵蚀性能。
将样品制成边长50mm的立方体形,然后在其中一个面的中心钻出直径22mm、深度25mm的孔洞,同时配上50mm×50mm×6mm的盖子,要求三个试样一组同时保证试样圆柱孔表面无明显裂纹和明显缺边、掉角、蜂窝等缺陷。取8gK2CO3,放入制备好的样品的圆柱形孔中,用盖子将圆柱形孔封住,将样品置于炉内恒温处,以(4~6)℃/min的升温速度加热至1100℃,再加热5h。冷却液取出看样品是否有裂纹。
 
三是融碱埋覆
融碱埋覆试验的基本原理是:将样品浸入熔融的碱液中以达到对其进行腐蚀的目的,然后测量被碱腐蚀前后样品的质量变化,并根据其变化判断其抗碱腐蚀性能。
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