高溫窯爐類型與耐火材料的化學(xué)侵蝕作用

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(xué)侵蝕作用，如高爐、轉(zhuǎn)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(fā)生化學(xué)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(jī)理的研究。 在理論方面，侵蝕物與耐火材料的化學(xué)反應(yīng)，可以從四個(gè)理論標(biāo)準(zhǔn)來推測耐火材料的選擇方向。

①化學(xué)熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn) ΔGT 通過耐火材料與侵蝕物之間反應(yīng)的吉布斯（Gibbs）自由能的變化來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向及反應(yīng)程度。選擇耐火材料的原則應(yīng)該是在使用條件下，耐火材料對接觸的侵蝕物具有熱力學(xué)穩(wěn)定性，即ΔG0 >0，反應(yīng)不能進(jìn)行。例如炭黑反應(yīng)爐用耐火材料， 在高溫下還要受炭黑粒子的化學(xué)侵蝕。 高純剛玉磚含 Al2O3 99.5%以上，Al2O3 與C反應(yīng)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)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(fā)生反應(yīng)， 所以高純剛玉磚使用壽命長。

眾所周知，當(dāng) ΔG0 <0，反應(yīng)能夠進(jìn)行，ΔG0負(fù)值越大，反應(yīng)進(jìn)行的可能性亦越大，ΔG0 =0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 許多化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能已由實(shí)驗(yàn)得出。 或從其他數(shù)據(jù)算出。 也可以從 JANAF熱力學(xué)數(shù)據(jù)表中或其他熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊查得， 因此可通過熱力學(xué)推算選擇合適的耐火材料。

②化學(xué)動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn) Δvat 一般耐火材料為非均質(zhì)體，而侵蝕物，特別是熔渣的化學(xué)成分也非常復(fù)雜，在高溫下二者不發(fā)生作用的極少，可通過化學(xué)動力學(xué)研究侵蝕物與耐火材料的反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)速度，從而選擇抗侵蝕的耐火材料。 從圖 1 可以看到：當(dāng)侵蝕物溶解耐火材料未達(dá)到平衡時(shí)，界面上接觸面積S，形成擴(kuò)散層（隔離層）厚δ，飽和濃度產(chǎn)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(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)耐火材料與熔體接觸，由擴(kuò)散層向熔體擴(kuò)散，如果溶解速度大，擴(kuò)散速度小，耐火材料表面形成飽和溶液（接觸層）同時(shí)停止溶解耐火材料。例如，堿性渣鋼包內(nèi)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(nèi)襯表面光潔如涂釉。 這是因?yàn)橄炇u含SiO2 高（65%～70%），在高溫及堿性熔渣的作用下，磚的表面產(chǎn)生一定量的高黏度液相，形成很厚的隔離層（擴(kuò)散層）附于內(nèi)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(kuò)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(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)變，當(dāng)溫度波動時(shí)，就會使耐火材料發(fā)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(yīng)，使鎂鉻磚鼓漲開裂，導(dǎo)致?lián)p毀。