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玄武纤维池窑炉对使用刚玉莫来石砖和高铬砖的侵蚀分析

添加时间:2021年7月15日  浏览次数:

玄武岩纤维以玄武岩矿石作为原料,在1 400~1 600 ℃的温度下将玄武岩原料熔化,经漏板拉丝成型。目前玄武岩纤维生产炉窑结构设计主要借鉴玻纤生产炉窑结构设计,其整体技术相对滞后。在炉窑设计中,内衬耐火材料直接影响炉窑寿命,同时对纤维性能的稳定性也有一定影响。

一:刚玉莫来石砖腐蚀机理

玄武岩纤维炉耐火材料分别取自于顶部加料口的刚玉莫来石砖和内侧壁高铬砖为分析对象,玄武岩成分质量分数如下: ( SiO2 + Al2O3 ) : 66. 0%~71. 0% ,( FeO + Fe2O3 ) : 8. 5%~10. 5%,( CaO + MgO) : 13. 0%~17. 5%,( Na2O + K2O) : 3. 0%~5. 0%。

玄武纤维池窑炉

刚玉莫来石砖基体以刚玉相和莫来石相为主,而侵蚀层含有刚玉、莫来石、铁镁橄榄石、铁铝尖晶石和钙长石相。同时,侵蚀层中莫来石相衍射强度也显著降低,这可能跟刚玉莫来石砖中莫来石相与玄武岩发生反应有关,致使莫来石被消耗而减少,刚玉莫来石砖内部孔隙度大,玄武岩粉尘熔化成熔液并通过开口孔侵入,刚玉和莫来石颗粒与玄武岩可能发生如下反应:

CaO + Al2O3 + 2SiO2 → CaO·Al2O3·2SiO2 ( 钙长石) ( 1)

2CaO + Al2O3 + SiO2 → 2CaO·Al2O3·SiO2 ( 钙黄长石) ( 2)

3Al2O3·2SiO2 + CaO →Al2O3 + CaO·Al2O3·2SiO2 ( 3)

3Al2O3·2SiO2 + R2O →Al2O3 + R2O·Al2O3·2SiO2 (霞石) ( R: 碱金属) ( 4)

Al2O3 + FeO →FeO·Al2O3 ( 铁铝尖晶石) ( 5)

Al2O3 + MgO →MgO·Al2O3 ( 镁铝尖晶石) ( 6)

2MgO + SiO2 →2MgO·SiO2 ( 镁橄榄石) ( 7)

2FeO + SiO2 →2FeO·SiO2 ( 铁橄榄石) ( 8)

3Al2O3 + 2SiO2 →3Al2O3·2SiO2 ( 二次莫来石) ( 9)

玄武岩熔体中含有 Na、K、Al、Si、Mg、Fe、Ca 等元素,在 CaO-Al2O3-SiO2-Na2O-FeO-MgO 多组元系中,刚玉莫来石砖中的刚玉和莫来石颗粒直接与 Na,K、Ca、Fe、Mg 等元素的氧化物生成铁镁橄榄石、铁铝尖晶石、长石类等低熔点物质而溶解成液相,液相的产生更有利于熔体中元素的扩散和渗透,砖被进一步侵蚀。当然,玄武岩熔体中含有大量的 Fe 元素,容易在腐蚀层富集,其对侵蚀速率也有很大影响,Fe元素存在+ 2价和+ 3价两种价态,可能对侵蚀行为有促进作用。

二:高铬砖腐蚀情况

玄武岩熔体存在SiO2、Al2 O3、CaO、MgO、 FeO、Fe2O3以及碱金属氧化物等组元,能与Cr2O3形成极小范围的低熔点区,如CaO-SiO2-Cr2O3三元系统共晶点在1 400 ℃左右,FeO-SiO2-Cr2O3三元系统能形成最低为1155 ℃的低熔点物质,Al2O3-SiO2-Cr2O3三元系统形成1 580 ℃共熔点考虑到氧化铬本身的熔点很高 ( 2330℃) ,与其他物质反应生成的物质熔点依然很高,如FeO、CaO、MgO与Cr2O3反应生成 FeCr2O4 ( 熔点: 2 050 ℃)、CaCr2 O4 ( 熔点: 2 170 ℃) 、MgCr2 O4 (熔点: 2400 ℃ ) 等高熔点尖晶石结构的保护层阻碍玻璃液的进一步侵蚀,对于砖的抗熔体性或者抗渣性是有利的,这也是高铬砖腐蚀较慢的因之一。分析高铬砖与玄武岩熔体非接触区域和接触区域的侵蚀形貌和测试结果,可能的侵蚀形式如下。

( 1) 高铬砖与玄武岩熔体的非接触区域表观形貌呈多孔、疏松状,可能是由于没有液相保护层,因此随着玄武岩挥发份沿着高铬砖的晶界逐渐侵蚀,最后出现大块晶粒剥落而成多孔状; 同时,随着侵蚀界面往砖体内部推进的过程中,ZrO2 在界面处成核、长大并析出,最终脱落成孔,形成富 Si、Al 多孔、疏松状的表观表面。

( 2) 高铬砖与玄武岩熔体的接触区域表观形貌呈光滑面,呈现出流体磨损侵蚀形式。因 Fe2O3、Cr2O3、Al2O3晶体结构相似 ( α-Al2O3型),离子半径相近 R ( Fe3 + ) = 0. 65,R( Cr3+ ) = 0. 62,R( Al3 + ) = 0. 53,相互之间能形成连续的固溶体,熔体中的 Fe2O3、Al2O3与Cr2O3形成固溶体导致熔点有所降低,Fe元素以固溶传质方式渗入高铬砖基体内部,造成晶格畸变,活化的界面区加速磨损侵蚀速率。Fe、Mg、Al 在砖体内部两相界面增多,可能以固溶方式形成复相尖晶石结构保护层,一方面保护砖体; 另一方面,两相的产生在界面处也可能出现应力剥落,侵蚀界面继续往高铬砖基体内部移动。因此,Fe、Al、Mg 等元素在界面的富集,说明 Fe、Al、Mg 等元素在整个侵蚀过程中起着固溶-传质-扩散的作用,高铬砖固液界面因固溶而活化,在熔体“拉拽”物理作用 的协助下,高铬砖更容易被侵蚀。

关键词:玄武岩   纤维   刚玉莫来石砖   高铬砖   
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