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高溫窯爐類型與耐火材料的化學侵蝕作用

2019-12-17 13:06:55

按耐火材料的使用條件, 高溫窯爐大致分為三種類型,每種類型如何選擇耐火材料,大致如下:

(1)在高溫條件下,耐火材料受熔融金屬,非金屬、熔渣及其蒸汽等的化學侵蝕作用,如高爐、轉爐、水泥窯、玻璃窯、鋼包等,在這種條件下使用的耐火材料占 50%左右。耐火材料與侵蝕物接觸發生化學作用, 對耐火材料來說,往往是致命的,耐火材料工作者也非常重視在這種條件下耐火材料損毀機理的研究。 在理論方面,侵蝕物與耐火材料的化學反應,可以從四個理論標準來推測耐火材料的選擇方向。

①化學熱力學標準 ΔGT 通過耐火材料與侵蝕物之間反應的吉布斯(Gibbs)自由能的變化來判斷反應進行的方向及反應程度。選擇耐火材料的原則應該是在使用條件下,耐火材料對接觸的侵蝕物具有熱力學穩定性,即ΔG0 >0,反應不能進行。例如炭黑反應爐用耐火材料, 在高溫下還要受炭黑粒子的化學侵蝕。 高純剛玉磚含 Al2O3 99.5%以上,Al2O3 與C反應的自由能為:1/3Al2O3(s)+C(s)=CO(g)+ 2/3Al(g)。 溫度對自由焓的變化是有些影響的,ΔG0= 106100-42.65T,T=2051 ℃, 即為開始進行化學反應的溫度。 炭黑爐最高使用的溫度為1920 ℃,因此高純剛玉磚不會與炭發生反應, 所以高純剛玉磚使用壽命長。

眾所周知,當 ΔG0 <0,反應能夠進行,ΔG0負值越大,反應進行的可能性亦越大,ΔG0 =0,反應處于平衡狀態。 許多化合物的標準生成吉布斯自由能已由實驗得出。 或從其他數據算出。 也可以從 JANAF熱力學數據表中或其他熱力學數據手冊查得, 因此可通過熱力學推算選擇合適的耐火材料。

陶瓷窯爐


②化學動力學標準 Δvat 一般耐火材料為非均質體,而侵蝕物,特別是熔渣的化學成分也非常復雜,在高溫下二者不發生作用的極少,可通過化學動力學研究侵蝕物與耐火材料的反應機理及反應速度,從而選擇抗侵蝕的耐火材料。 從圖 1 可以看到:當侵蝕物溶解耐火材料未達到平衡時,界面上接觸面積S,形成擴散層(隔離層)厚δ,飽和濃度產生在緊接耐火材料的表面處,距表面一定限度以外為溶液濃度。溶解速度 v 可以通過溶液濃度變化進行計算。

當耐火材料與熔體接觸,由擴散層向熔體擴散,如果溶解速度大,擴散速度小,耐火材料表面形成飽和溶液(接觸層)同時停止溶解耐火材料。例如,堿性渣鋼包內襯用半酸性的蠟石磚。使用壽命比偏中性的黏土磚、高鋁磚長,蠟石磚不粘渣,使用后的鋼包內襯表面光潔如涂釉。 這是因為蠟石磚含SiO2 高(65%~70%),在高溫及堿性熔渣的作用下,磚的表面產生一定量的高黏度液相,形成很厚的隔離層(擴散層)附于內襯表面,阻止熔渣滲透,從而降低了耐火材料的溶解速度,提高了使用壽命。

如果溶解速度小,擴散速度大,熔體沿氣孔滲入耐火材料中,使耐火材料的液相含量增大,形成新相,可能是固熔體或化合物,使耐火材料的組織結構發生質變,當溫度波動時,就會使耐火材料發生溶解或剝落。例如 RH 爐渣對鎂鉻磚的侵蝕,由于渣中的Al2O3、Fe2O3 等 R3+和鎂鉻磚中鎂鉻尖晶石的 Cr3+交換,生成鎂鋁尖晶石和鎂鐵尖晶石變性,因體積效應,使鎂鉻磚鼓漲開裂,導致損毀。


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