王仁棟

大連科萌工程材料有限公司 遼寧大連 116025

耐火材料是高溫冶煉及高溫窯爐等熱工設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用，是高溫技術(shù)不可缺少的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、陶瓷、建材、電子、石化等領(lǐng)域中。其中鋼鐵行業(yè)耐火材料用量最大，約占60%-70%，主要用于高爐、轉(zhuǎn)爐、鋼包等；陶瓷行業(yè)耐火材料用量相對(duì)較大，約占6%，主要用于窯具、功能陶瓷等；水泥行業(yè)用耐火材料約占4%，主要應(yīng)用于回轉(zhuǎn)窯等大型高溫窯爐；電子、石化工業(yè)的耐火材料用量較少，約占3%，主要用于其高溫生產(chǎn)過(guò)程中的窯爐。耐火材料在高溫條件下使用除了要經(jīng)受高溫強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性外，有些地方還會(huì)受到各種介質(zhì)的侵蝕，致使耐火材料使用循環(huán)周期縮短，壽命降低。很多學(xué)者在耐火材料抗侵蝕方面的研究取得了不少成果，本文綜述了不同領(lǐng)域用耐火材料的抗侵蝕研究，并總結(jié)了提高耐火材料抗侵蝕的途徑以及耐火材料抗侵蝕研究的未來(lái)發(fā)展方向。

1 提高耐火材料抗侵蝕的途徑

1.1 選擇合適的耐火材料

根據(jù)侵蝕介質(zhì)不同選擇合適耐火材料，首先選擇不與侵蝕介質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的耐火材料，即酸性侵蝕介質(zhì)選擇酸性或中性耐火材料，而堿性侵蝕介質(zhì)選擇堿性或中性耐火材料，有利于提高耐火材料的抗侵蝕性。

1.2 降低侵蝕介質(zhì)與耐火材料的潤(rùn)濕性

可以在耐火材料中添加某些物質(zhì)，降低侵蝕介質(zhì)對(duì)耐火材料的潤(rùn)濕性，減少接觸面積，進(jìn)而阻止熔渣對(duì)材料的滲透，提高抗侵蝕性能[1]。

1.3 耐火材料中形成微氣孔結(jié)構(gòu)

用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ鼓突鸩牧袭a(chǎn)生微氣孔提高耐火材料結(jié)構(gòu)的致密性，使侵蝕介質(zhì)難以通過(guò)氣孔向深層滲透，且受熱膨脹時(shí)承受一定的收縮，阻止介質(zhì)的侵蝕，從而增加材料的抗侵蝕性能。

1.4 耐火材料表面形成致密保護(hù)層

在耐火材料表面形成保護(hù)層的措施主要有：一是通過(guò)耐火材料與侵蝕介質(zhì)等反應(yīng)，在表面沉積形成熔點(diǎn)較高的共熔物致密層；二是在耐火材料表面涂保護(hù)涂層；三是在侵蝕介質(zhì)侵蝕時(shí)，使材料非氧化物表面發(fā)生氧化或擴(kuò)散氧化形成致密氧化層。這些方法都可阻止熔渣進(jìn)一步的侵蝕，提高耐火材料的抗侵蝕性。

2 耐火材料抗侵蝕的研究

2.1 水泥窯用耐火材料的抗侵蝕研究

水泥窯用耐火材料主要在過(guò)渡帶和燒成帶侵蝕嚴(yán)重，侵蝕介質(zhì)主要是揮發(fā)性堿鹽（來(lái)自原料和燃料的帶入的堿以氯化物和硫酸鹽的形式揮發(fā)）、水泥熟料液相。過(guò)渡帶和燒成帶所用材質(zhì)主要是鎂質(zhì)耐火材料，使用最多的是鎂鉻磚和鎂鋁尖晶石磚。水泥原料及燃料中的鉀、鈉、硫、氯化合物形成的揮發(fā)性堿鹽進(jìn)入磚的氣孔內(nèi)，隨著溫度波動(dòng)而液化或固化、沉淀、填充耐火磚空隙造成受滲部分磚的致密化、熱膨脹系數(shù)增大和脆化使其被侵蝕破壞；在燒成帶和過(guò)渡帶，水泥熟料液相在耐火材料呈軟化狀態(tài)下沿著其空隙侵入和滲透并與磚內(nèi)組分反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物損壞磚的致密結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磚的化學(xué)蝕損，使其剝落損毀。

2.2 水煤漿氣化爐用耐火材料抗侵蝕研究

水煤漿氣化爐內(nèi)襯用的主要是高鉻耐火材料，該材料主要受到煤熔渣（煤熔渣的化學(xué)組分主要由SiO2、CaO、Al2O3、FeO、MgO等組成）和還原氣體（CO、H2）的侵蝕、滲透，氣體主要侵蝕部位是煤氣化爐拱頂，而煤熔渣主要侵蝕筒體爐壁和錐體。在高鉻耐火材料使用過(guò)程中，由于煤熔渣黏度低，對(duì)耐火材料的浸潤(rùn)性和滲透性很強(qiáng)，所以易沿著耐火磚的氣孔或裂紋滲透，又由于氣化爐自身存在壓力，更加促進(jìn)了熔渣的滲透，與磚內(nèi)化學(xué)成分Cr2O3、ZrO2、Al2O3等發(fā)生反應(yīng)，生成新的物相，并固化沉積在磚層中，破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成變質(zhì)層，降低材料的高溫強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)反復(fù)沖刷、磨損、侵蝕，造成爐襯蝕損而剝落；而強(qiáng)還原性氣體CO、H2易沿著氣孔或裂紋侵入與磚中雜質(zhì)SiO2、含鐵氧化物反應(yīng)生成氣體溢出或鐵類氧化物與CO反應(yīng)生成C在磚中沉積致使高鉻磚鼓脹開裂，造成氣蝕損壞。研究開發(fā)水煤漿氣化爐用環(huán)境友好型低鉻/無(wú)鉻耐火材料是未來(lái)的發(fā)展方向[2]。

2.3 煉鋼用耐火材料抗侵蝕研究

在煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中，鋼包渣線部位侵蝕比較嚴(yán)重，侵蝕介質(zhì)主要有熔渣（熔渣成分為：CaO、SiO2、Al2O3、MgO、FeO、MnO等）和鋼水。鋼包渣線磚材質(zhì)主要是鎂碳耐火材料，在高溫使用過(guò)程中，磚中的碳與磚面附近的O2及熔渣中的氧化物還有與其自身的MgO發(fā)生氧化-還原反應(yīng)形成脫碳層，破壞了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其組織變得疏松多孔。一部分熔渣中CaO、SiO2等接觸耐火磚與其表面材料反應(yīng)形成低熔點(diǎn)物相；還有一部分熔渣沿脫碳通道進(jìn)入方鎂石結(jié)晶顆粒邊界與MgO組分反應(yīng)生成低熔物CMS、C2MS3等，這部分低熔物液相滲透于MgO顆粒周圍，分解鎂砂，使骨料破壞。而液相在鋼水以及熔渣的沖刷下極易流失加速耐火材料向爐渣中溶解，導(dǎo)致鎂碳磚熔損。由于含碳耐火材料易被氧化使磚損毀，因此，低碳MgO-C磚、添加結(jié)合劑、抗氧化劑、非氧化物的鎂碳磚以及使用納米技術(shù)的鎂碳磚等將是未來(lái)發(fā)展方向。

3 結(jié)語(yǔ)

耐火材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，不僅僅用于鋼鐵、建材等行業(yè)，還用于鋰電池正極材料合成等行業(yè)。因此，耐火材料壽命除了受到高溫強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性影響外，抗侵蝕性能對(duì)耐火材料使用壽命的影響也越來(lái)越大，耐火材料抗侵蝕性的研究越來(lái)越多。研究人員嘗試使用不同的新方法來(lái)提高抗侵蝕性能：采用納米工藝降低耐火材料內(nèi)部氣孔率，改善耐火材料的孔徑結(jié)構(gòu)，使材料更加致密，從而提高耐火材料的抗侵蝕性；采用真空浸漬納米前軀體的方法使耐火材料表面氣孔微細(xì)化均勻分布，從而提高耐火材的抗侵蝕性；利用降低復(fù)合涂層與侵蝕介質(zhì)之間的潤(rùn)濕性來(lái)防止侵蝕介質(zhì)的滲透，阻止侵蝕介質(zhì)的侵蝕。隨著各國(guó)學(xué)者不斷深入研究，采用新技術(shù)、新工藝制備的耐火材料抗侵蝕性不斷提高，使其可以在各種苛刻的條件下使用，同時(shí)，耐火材料的研究方向越來(lái)越趨于節(jié)能綠色環(huán)保，新型低鉻低碳耐火材料已經(jīng)開始成為今后的研究熱點(diǎn)。