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耐火材料如何提高抗堿蒸氣侵蝕?

時間:2021-03-17 16:05 來源:耐火磚廠家點擊:

耐堿性蒸汽侵蝕,指耐火材料在高溫下的耐堿性腐蝕能力。堿回收爐等耐火材料爐襯在使用過程中,在高溫環境中,其對耐火材料的腐蝕會受到堿濃度、溫度和蒸氣濃度的影響,這與爐襯的使用壽命有關,提高耐火制品的耐堿性,可延長其使用壽命。
 

 
 
堿蒸氣對耐火材料的腐蝕主要與其氣孔結構及化學組成有關,氣孔結構主要影響堿蒸氣的滲透過程,化學成分則影響腐蝕過程中化學反應的進行。從氣孔結構、化學成分等方面分析了提高耐火材料耐堿性蒸汽腐蝕性能的途徑。
 
為了提高耐火材料的抗堿性和抗腐蝕性能,在其主材中添加了一些附加成分。造成這種現象的原因是:燒結時加入組分,一方面可提高材料的致密性,降低浸蝕物質的滲透性,另一方面可改變熔渣的粘度,或吸收部分浸蝕物質。如尖晶石可在熔渣侵蝕過程中加入Fe2O3和CaO等成分,提高堿性渣渣的粘度,從而降低渣渣對耐火材料的滲透性,在鎂質耐火材料中引入尖晶石,可顯著改善其耐火材料的耐火材料性能。另外,在鎂質耐火材料中引入氧化鋁成分,使之在高溫下原位生成一定含量的尖晶石,并進一步提高了抗堿渣滲透能力。
 
1.化學組成
通常根據耐火材料中各組分的含量和作用,其化學成分可分為主組分、附加組分和雜質組分。主要成分是對耐火材料性能起決定作用并構成基質的成分。防腐材料和渣料都可以分為酸性和堿性兩種類型,為了提高防腐介質的耐蝕性能,首先要使防腐介質的酸堿性與主成分相匹配。堿含量的表征方法通常是以堿含量與酸含量之比為標準,而渣中CaO含量與SiO2含量之比為標準。
高堿的渣型是堿性渣型,低堿的渣型是酸性渣型。該酸渣渣中含有SiO2、B2O3、P2O5、V2O5和氟化物等多種酸性氧化物,它們在酸性耐火材料中易溶于水,但在酸性耐火材料中溶解度較低,其中堿性耐火材料溶解度高,而在酸性耐火材料中溶解度低。例如水泥回轉窯、垃圾焚燒爐和玻璃窯,耐火材料主要有方鎂石-尖晶石、鎂鉻石、白云石等。
為了提高耐火材料的抗堿性和抗腐蝕性能,在其主材中添加了一些附加成分。造成這種現象的原因是:燒結時加入組分,一方面可提高材料的致密性,降低浸蝕物質的滲透性,另一方面可改變熔渣的粘度,或吸收部分浸蝕物質。
如尖晶石可在熔渣侵蝕過程中加入Fe2O3和CaO等成分,提高堿性渣渣的粘度,從而降低渣渣對耐火材料的滲透性,在鎂質耐火材料中引入尖晶石,可顯著改善其耐火材料的耐火材料性能。另外,在鎂質耐火材料中引入氧化鋁成分,使之在高溫下原位生成一定含量的尖晶石,并進一步提高了抗堿渣滲透能力。
第二,氣孔的構造。
它的氣孔結構包括:氣孔率、氣孔直徑、氣孔閉合率、微孔比例及氣孔彎曲等。氣孔結構將影響耐火材料的透氣性,進而影響其腐蝕氣體的滲入過程。耐熱材料的氣孔直徑越小,其氣孔結構越復雜,透氣性越差,說明耐堿蒸汽的透氣性越好。
在耐火材料中加入一定量的納米粉體,可通過調整顆粒級配來優化其氣孔結構。結果表明,通過材料內部的物理和化學反應,減小孔洞尺寸,減少孔洞連通,也是調整材料微觀結構的重要方法之一。
通過添加碳化物、硼化物、氮化物等微粒,可以在高溫擴散和氧化氣氛中實現氧化,將耐火材料的部分氣孔封閉,從而達到了良好的高溫性能。
含碳耐火材料如金屬,合金,碳化物和氮化物也可用于耐火材料的微孔化設計。這些物質在制備和使用過程中,可形成某種化合物,或產生一定的體積膨脹效應,從而堵塞某些氣孔,降低氣孔率,在材料表面形成保護層,從而提高耐火材料的抗滲性能。
炭質材料中,微孔化炭磚是通過顆粒的緊密堆積和就地分解膨脹的原理制備的,進一步的研究表明,高爐炭磚的氣孔小于1μm或更長時間,鐵水、鋅等物質就難以通過化學腐蝕滲入材料中。而平均孔徑和孔徑小于1微米的孔洞體積率則是衡量產品質量的重要指標。
同樣,通過引入硅微粉也實現了鋁碳耐火材料的微孔化,對不同孔徑的耐火材料進行了滲透性試驗,結果表明,小孔徑耐火材料的滲透性也較低,因此此類耐火材料也表現出較好的耐腐蝕性能。
在莫來石質和方鎂石-尖晶石耐火材料中引入鋯英石后,在分解過程中產生了氣孔,使得基質更加致密,同時提高了材料的抗堿蝕能力。
對紅柱石的抗堿蒸汽侵蝕機理進行了研究,發現當紅柱石材料受鈉蒸汽侵蝕時,其形成的侵蝕產物會被鎖在莫來石網層中,從而限制了侵蝕的進一步發生,因此紅柱石材料具有良好的抗堿侵蝕能力。
采用上述措施,可減小耐火材料腐蝕氣體的氣孔直徑,并可堵塞部分氣孔,使氣孔結構更加復雜,氣孔之間的連通性降低,增加抗腐蝕氣體滲入耐火材料的阻力,增加耐火材料滲入的慣性力,從而大大減輕材料的腐蝕。
提高耐火材料抗堿性能的試驗方法
 
首先是堿蒸氣法。
堿蒸汽試驗的基本原理是:在1100℃,碳酸鉀(K2CO3)與木炭反應生成堿蒸汽,這種蒸汽會腐蝕耐火材料樣品,產生新的化合物(堿金屬的硅酸鹽或碳酸鹽),從而改變材料性能。
二熔堿坩堝法
熔堿坩堝法實驗的基本原理是:在試樣中加入一定量的鹽-碳酸鉀(K2CO3),在高溫下與試樣反應產生體積膨脹,在試樣抗堿后用肉眼觀察試樣的腐蝕性,從而判斷出試樣的抗堿侵蝕性能。
試樣制成邊長50mm的立方形體,然后在其中一面的中心鉆出直徑22mm、深度25mm的孔洞,同時配上50mm×50mm×6mm的蓋子,要求三組試樣一次一塊,保證試樣圓柱形孔表面無明顯裂紋,有明顯缺邊、掉角、蜂窩等缺陷。將8gK2CO3放入制備好的樣品圓柱形孔中,用蓋子密封,然后將樣品置于爐溫恒溫下,以(4~6)℃/min的升溫速度加熱至1100℃,再加熱5h。取冷卻劑看樣品是否有裂紋。
融堿埋覆;
融堿埋覆試驗的基本原理是:將樣品浸入熔融的堿液中,使之達到腐蝕目的,然后測量樣品在被堿腐蝕前后的質量變化,根據變化情況判斷樣品的耐堿腐蝕性能。
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