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耐火材料行業知識

煉銅用鎂鉻質耐火磚侵蝕的主要原因

鎂鉻耐火磚是一種以鎂砂為主,以鉻鐵礦為輔的耐火磚,依據工藝和原料的不同,鎂鉻質耐火磚在冷卻過程中形成不同程序的二次復合法晶石以及方鎂石-二次尖晶石復合相等,形成了鎂砂包裹鉻礦的結構。鎂鉻質耐火磚在目前使用狀態下會產生對人體有害的含鉻化合物,但是由于鎂鉻質耐火磚在高溫下具有高強度、良好的體積穩定性和抗渣侵蝕能力,在煉銅工業中仍有較為廣泛的應用。
煉銅工業中常用的鎂鉻質耐火磚有:普通硅酸鹽結合鎂鉻磚、直接結合鎂鉻磚、再結合鎂鉻磚、半再結合鎂鉻磚、共燒結鎂鉻磚、熔鑄鎂鉻磚等。
鎂鉻質耐火磚的一般破壞機理
煉鋼工業窯爐也屬于高溫窯爐冶煉的有色金屬,所以鎂鉻質耐火磚的破壞機理也遵循高溫窯爐用鎂鉻磚的一般破壞機理,其大致又分為四個方面:
(1)材料組分與熔渣反應引起化學熔蝕。高溫下熔渣中的FeO和鎂鉻磚內的MgO形成固溶體,SiO2則部分熔蝕MgO生成M2S填充在晶界之間,而且FeO和SiO2一起與磚中的氧化鎂作用生成MFS,產生的低熔物溶入爐渣使組分流失。
(2)熔體的滲透導致材料產生裂紋和結構剝落。煉鋼爐內熔體黏度低,滲入能力強,可通過毛細氣孔侵入鎂鉻磚內部。由于原磚結構和性質與變質層存在很大差異,當溫度變化時,在鎂鉻磚內部產生平行于工作面的裂紋,嚴重時就會發生崩裂和剝落。
(3)爐內氣氛引起材料結構疏松。煉銅爐含有大量的二氧化硫氣體,氣體遷移時能夠發生再氧化反應,生成三氧化硫,與鎂鉻磚中的堿性氧化物(氧化鎂和氧化鈣)反應形成低熔點的堿土金屬鹽類,如:MgSO4、CaSO4等。
(4)煙氣沖刷和機械磨損也會加速鎂鉻磚的侵蝕。
鎂鉻質耐火磚的特殊破壞機理
雖然煉銅用鎂鉻質耐火磚中的不同氧化物也在一定程度上可以影響材料的性能,從而導致材料的破壞,例如:氧化鉻、氧化鋁、氧化鋯等,但是煉銅用鎂鉻質耐火磚的特殊破壞機理在于銅渣、鐵硅渣以及硫元素對材料的特殊破壞。首先,銅渣和銅熔體填充在氣孔和裂紋中,引起爐襯被熱擊穿,并發生膨脹剝落。
其次對于鐵硅渣的特殊破壞來說,研究認為:鎂鉻磚中的氧化鎂和熔渣中的氧化鐵生成鎂鐵尖晶石因溶體,隨著磚體中SiO2含量的增加,鎂鐵固溶體逐漸被低熔點的鎂鐵橄欖石代替,方鎂石被鐵硅渣熔蝕,進而形成了鎂鐵橄欖石、鎂橄欖石包裹主晶相鎂鉻尖晶石的結構;并且鐵硅渣的黏度比較低,鎂鉻磚中滲透進入的鐵硅渣構成連續的網狀,形成了變質層,變質層導致磚體的熱膨脹不同,在磚體內形成了裂紋并逐漸擴張導致磚體的剝落。而且SO2在磚體內遷移時發生氧化反應生成SO3,并與堿性氧化物生成低熔點的堿土金屬鹽類,反應生成物的密度小而導致體積增加,從而加劇了熔渣的滲透和侵蝕。行業內多位科研人員都認為鎂鉻磚破壞的主要原因是鐵硅渣引起的。
最后對于硫元素的特殊破壞來說,第一:1500℃時,當渣中硫含量較高時,SO2在鎂鉻磚的遷移的過程中,存在一個硫酸鹽先生成后分解的過程,這一過程將造成磚體氣孔的擴大和結構的疏松,加深轉爐銅渣對鎂鉻質耐火磚的侵蝕、適量的CaO存在,可以吸收SO2氣體減少MgSO4的生成,而少量的MgSO4生成,在氣孔率較大時,引起的體積膨脹并不足以破壞磚體結構,反而起到堵塞氣孔阻礙轉爐銅渣對鎂鉻質耐火磚的進一步侵蝕的作用。第二:1300℃時,直接結合鎂鉻磚抗侵蝕能力優于電熔半再結合鎂鉻磚,1500℃時,電熔半再結合鎂鉻磚的抗侵蝕能力較直接結合鎂鉻磚更為優秀;這些結果說明在銅轉爐的架設過程中耐火磚的選擇需要綜合考慮多方面的因素。對于一般的煉銅轉爐,由于工作溫度一般來說為1100~1300℃,此時選擇直接結合鎂鉻磚,由于SO2氣體的存在,選用CaO含量較大,氣孔率較高的直接結合鎂鉻磚較為適宜,而相對的,對于熔煉溫度較高的轉爐,宜采用性能較優良的電熔半再結合鎂鉻磚或電熔再結合鎂鉻磚。
結論
耐火磚行業的發展與資源、能源和環境緊密相關。作為優良耐火磚的鎂鉻質耐火磚在煉銅工業中廣泛應用的同時,因為不同機理導致的破壞而普遍具有較低的使用壽命。煉銅用鎂鉻質耐火磚的破壞機理分為一般破壞機理和特殊破壞機理:對于一般破壞機理來說,遵循高溫窯爐用鎂鉻磚的破壞演變機理;對于特殊破壞機理來說,重點在于煉銅工業中產生的不同種類爐渣的侵蝕。


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