耐火材料如何提高抗堿蒸氣侵蝕，有哪些途徑？

耐火材料如何提高抗堿蒸氣侵蝕，有哪些途徑？

抗堿蒸氣侵蝕，指耐火材料在高溫下耐堿腐蝕的能力。在使用過(guò)程中，如在堿回收爐中，在高溫環(huán)境中，耐火材料對耐火材料爐襯的腐蝕會(huì )受到堿濃度、溫度和蒸汽濃度的影響，這與爐襯的使用壽命有關(guān)，提高耐火產(chǎn)品的抗堿性，可以延長(cháng)爐襯的使用壽命。
堿蒸汽對耐火材料的侵蝕主要與其氣孔結構和化學(xué)成分有關(guān)，氣孔結構主要影響堿蒸汽的滲透性過(guò)程，化學(xué)成分則影響腐蝕過(guò)程中的化學(xué)反應過(guò)程。提高耐火材料耐堿蒸汽腐蝕性能，應從其氣孔結構和化學(xué)成分等方面入手。
為提高耐火材料的耐堿性和耐腐蝕性，除主成分外，還加入了一些附加成分。其原因在于，在燒結過(guò)程中加入組分，一方面可以提高材料的致密化程度，減少侵蝕物質(zhì)的滲透性，另一方面可以改變熔渣的粘度，或吸收部分侵蝕物質(zhì)。例如，尖晶石可以將Fe2O3和CaO等成分加入到熔渣侵蝕過(guò)程中，提高堿性渣渣的粘度，從而降低渣渣對耐火材料的滲透性，因此將尖晶石引入到鎂質(zhì)耐火材料中，可明顯提高其抗滲透性。此外，將氧化鋁成分引入鎂質(zhì)耐火材料中，使其在高溫下原位形成一定含量的尖晶石，同時(shí)還可進(jìn)一步提高抗堿渣滲透能力。

一、化學(xué)成分。

耐火材料的化學(xué)成分一般根據其各成分含量和作用分為主成分、附加成分和雜質(zhì)成分等。主組分是指對耐火材料的性能起決定作用并構成基質(zhì)的組分。耐火材料和渣料均可分為酸性和堿性?xún)煞N類(lèi)型，為了提高其耐腐蝕性能，腐蝕介質(zhì)的酸堿性首先要與材料的主成分相匹配。堿度表示方法通常是用堿性氧化物含量與酸性氧化物含量的比值來(lái)表示，而渣中CaO含量與SiO2含量的比值則常用。
高堿的渣型為堿性渣型，低堿的渣型為酸性渣型。酸渣渣中含有SiO2、B2O3、P2O5、V2O5和氟化物等多種酸性氧化物，易溶于堿性耐火材料，但對酸性耐火材料的溶蝕作用較弱，堿性耐火材料對堿性耐火材料的侵蝕作用較強，酸性耐火材料對酸性耐火材料的侵蝕作用較強。如在水泥回轉窯、垃圾焚燒爐和玻璃窯中，多采用方鎂石-尖晶石、鎂鉻石、白云石等耐火材料作窯襯。
為提高耐火材料的耐堿性和耐腐蝕性，除主成分外，還加入了一些附加成分。其原因在于，在燒結過(guò)程中加入組分，一方面可以提高材料的致密化程度，減少侵蝕物質(zhì)的滲透性，另一方面可以改變熔渣的粘度，或吸收部分侵蝕物質(zhì)。
例如，尖晶石可以將Fe2O3和CaO等成分加入到熔渣侵蝕過(guò)程中，提高堿性渣渣的粘度，從而降低渣渣對耐火材料的滲透性，因此將尖晶石引入到鎂質(zhì)耐火材料中，可明顯提高其抗滲透性。此外，將氧化鋁成分引入鎂質(zhì)耐火材料中，使其在高溫下原位形成一定含量的尖晶石，同時(shí)還可進(jìn)一步提高抗堿渣滲透能力。

二、氣孔構造。

其氣孔結構包括氣孔率、氣孔直徑、氣孔閉合率、微孔比例和氣孔彎曲度等?？諝饪紫督Y構會(huì )影響耐火材料的透氣性，進(jìn)而影響耐火材料中腐蝕氣體的滲入過(guò)程。耐高溫材料氣孔直徑越小，其氣孔結構越復雜，其透氣性越差，說(shuō)明其耐堿蒸汽的透氣性越好。
通過(guò)調整顆粒級配，在耐火材料中加入一定數量的納米粉末，可以?xún)?yōu)化耐火材料氣孔結構。研究表明，通過(guò)材料內部的物理化學(xué)反應來(lái)減小孔徑大小，減小孔洞連通度，也是調整材料微觀(guān)結構的重要手段之一。
在耐火材料領(lǐng)域，加入微納米粒子如碳化物、硼化物、氮化物等，可實(shí)現高溫擴散或氧化氣氛中的氧化，封閉耐火材料的部分氣孔，使其具有優(yōu)異的高溫性能。
金屬、金屬合金、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設計。在制備和使用過(guò)程中，這些物質(zhì)會(huì )形成某種化合物，或者產(chǎn)生一定的體積膨脹效應，從而堵塞部分氣孔，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。
碳素材料中，微孔化炭磚是通過(guò)顆粒的緊密堆積和原位分解膨脹的原理制備的，進(jìn)一步研究表明，高爐炭磚中的氣孔小于1μm或更長(cháng)時(shí)間，鐵水、鋅等物質(zhì)就很難被化學(xué)腐蝕滲透到材料中。其中，平均孔徑和孔徑<1微米的孔洞體積率是評價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標。
類(lèi)似地，通過(guò)引入硅微粉也實(shí)現了鋁碳耐火材料的微孔化，對不同孔徑的耐火材料進(jìn)行了滲透測試，發(fā)現孔徑較小的耐火材料具有較低的滲透率，因而這類(lèi)耐火材料也表現出更好的抗腐蝕性能。
將鋯英石引入莫來(lái)石質(zhì)耐火材料和方鎂石-尖晶石耐火材料中，結果表明，在分解過(guò)程中，鋯英石產(chǎn)生了氣孔，使材料基質(zhì)更加致密，同時(shí)提高了材料抗堿蝕能力。
研究了紅柱石的抗堿蒸汽侵蝕機理，發(fā)現當紅柱石材料受鈉蒸汽侵蝕時(shí)，其形成的侵蝕產(chǎn)物會(huì )被鎖在莫來(lái)石網(wǎng)中，從而限制了侵蝕的進(jìn)一步發(fā)生，因而這類(lèi)材料具有較好的抗堿侵蝕能力。
通過(guò)以上工作，可減小耐火材料中腐蝕氣體的氣孔直徑，并可堵塞部分氣孔，從而使氣孔結構更加復雜，氣孔連通度降低，腐蝕氣體在耐火材料中滲流的額外阻力和慣性力增大，從而大大減輕材料的腐蝕。

增加耐火材料耐堿性的試驗方法，堿蒸汽法
堿蒸試驗的基本原理是：碳酸鉀(K2CO3)在1100℃時(shí)與木炭反應生成堿蒸氣，堿蒸氣會(huì )腐蝕耐火材料樣品，產(chǎn)生新的化合物(堿金屬的硅酸鹽或碳酸鹽)，從而改變材料的性能。

二熔堿坩堝法
熔堿坩堝法實(shí)驗的基本原理是：在樣品內部加入一定量的堿鹽-碳酸鉀(K2CO3),K2CO3在高溫下與試驗材料反應產(chǎn)生體積膨脹，在抗堿試驗后用肉眼觀(guān)察樣品的腐蝕破壞程度，從而判斷出耐火材料的抗堿侵蝕性能。
將樣品制成邊長(cháng)50mm的立方體形，然后在其中一個(gè)面的中心鉆出直徑22mm、深度25mm的孔洞，同時(shí)配上50mm×50mm×6mm的蓋子，要求三個(gè)試樣一組同時(shí)保證試樣圓柱孔表面無(wú)明顯裂紋和明顯缺邊、掉角、蜂窩等缺陷。取8gK2CO3，放入制備好的樣品的圓柱形孔中，用蓋子將圓柱形孔封住，將樣品置于爐內恒溫處，以(4~6)℃/min的升溫速度加熱至1100℃，再加熱5h。冷卻液取出看樣品是否有裂紋。

三是融堿埋覆
融堿埋覆試驗的基本原理是：將樣品浸入熔融的堿液中以達到對其進(jìn)行腐蝕的目的，然后測量被堿腐蝕前后樣品的質(zhì)量變化，并根據其變化判斷其抗堿腐蝕性能。