含有Cr2O3的耐火材料具有良好的高溫抗侵蝕性能,在目前發(fā)現(xiàn)的所有的耐火材料的氧化物添加劑中,Cr2O3可以說是其中性能最優(yōu)越的之一。Cr2O3抗浸蝕性能優(yōu)越的主要原因為:
(1)Cr2O3能夠和耐火材料中一些主要的氧化物相互固溶,形成高熔點低共熔點的固溶體。
如表1所示,其形成的固溶體的熔點幾乎都在2000℃左右,因此三氧化二鉻成為了耐火材料的重要原料以及添加劑;
表1 Cr2O3與一些耐火材料常用氧化物形成的二元系
(2)耐火澆注料與高溫熔體相互作用而損毀的主要原因可以歸納為:
機械作用、爐渣化學(xué)侵蝕以及熱應(yīng)力作用,通常情況下耐火材料的損毀是三者綜合作用的結(jié)果。機械作用主要是指耐火材料受到爐料、高溫熔體和高溫氣流的沖刷與磨損;化學(xué)侵蝕則是指由化學(xué)反應(yīng)引起的破壞,耐火材料在服役的過程中會與接觸的爐渣、熔體、煙氣與粉塵等物質(zhì)時發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)遭到破壞,其主要的過程為液相的溶解與滲透,主要的表現(xiàn)形式為滲透、渣蝕和溶蝕。
Cr2O3能夠降低熔渣對耐火材料的潤濕性,使熔渣對耐火材料的浸蝕降低,同時還能降低其對耐火材料的滲透作用。研究了61.5%SiO2-17.8%Al2O3-20.7%MgO渣分別在鎂質(zhì)耐火材料和鎂質(zhì)含鉻耐火材料的接觸角,發(fā)現(xiàn)在1370℃保溫2小時后,熔渣在含鉻耐火材料上的接觸角較大,說明熔渣對其的潤濕性差。
熔渣對耐火材料的侵蝕主要是通過滲透作用進(jìn)入到耐火材料中形成侵蝕層,當(dāng)溫度發(fā)生激烈的變化時,侵蝕層中的礦物生產(chǎn)膨脹而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力,導(dǎo)致材料的內(nèi)部形成裂紋,致使耐火材料出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性剝落。當(dāng)在耐火材料中添加一定量Cr2O3時,能夠有效的降低熔渣在耐火材料中的滲透作用,即使是滲透能力極強的含S和O的煉銅渣也能夠起到同樣的作用,從而減少因此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)剝落。
當(dāng)耐火材料中含有Cr2O3時其會與熔渣相互滲透,Cr2O3進(jìn)入熔渣后會影響熔渣的粘度。研究了硅酸鹽渣的粘度與Cr2O3含量的關(guān)系,表明Cr2O3不僅在硅鹽酸渣中的溶解度較低,而且還會顯著的增加熔渣粘度,降低熔渣的流動性,因此能夠減少渣對耐火材料的侵蝕作用。熔渣粘度的增加能減緩其對耐火材料的滲透作用,減少在耐火材料中形成滲透層,從而能夠降低耐火材料的結(jié)構(gòu)性剝落。所以含鉻耐火材料在有色冶金、鋼鐵冶金、水煤漿氣化爐及玻璃行業(yè)中廣泛的應(yīng)用。在所有的堿性耐火材料中,含鉻耐火材料被視為性能最佳的耐火材料。
在鋼鐵行業(yè)中,很多的部位都可以使用無鉻的環(huán)境友好型耐火材料,但是有些地方的耐火材料因為受到鋼液以及熔渣的嚴(yán)重侵蝕或者需要承受劇烈的溫度變化和環(huán)境氣氛變化,例如爐外精煉爐,普通的耐火材料難于抵抗鋼鐵沖刷和氣氛的變化。
在水煤漿氣化爐中,雖然氮化硅、碳化硅和氧氮化硅材料對多數(shù)的硅酸鹽溶體具有良好的相容性和化學(xué)惰性,但是由于其工作環(huán)境為強還原性氣氛,使其變地不穩(wěn)定且易分解。此外這些材料容易與煤熔渣中的氧化亞鐵反應(yīng)破壞材料的原始組分和結(jié)構(gòu)。所以,碳化物或者氮化物一般不用作水煤漿氣化爐的爐襯材料。
在有色冶金熔煉爐中,與傳統(tǒng)的煉鋼爐相比,有色金屬熔煉爐有著更高的氧分壓。雖然鎂碳耐火材料在轉(zhuǎn)爐中表現(xiàn)出了良好的使用性能,但是因為有色冶金熔煉爐有著較高的氧分壓,鎂碳耐火材料易被氧化而損壞。相比之下含鉻耐火材料因為具有良好的抗渣性能,高溫強度高等特點,是目前有色金屬熔煉爐較為理想的耐火材料。
圖2 不同耐火材料在不同溫度下的抗侵蝕性能
(1-石英;2-鋯石英;3-AZS;4-剛玉;5-粘土磚;6-致密氧化鉻磚)
在生產(chǎn)玻璃的池窯中,熔融玻璃所含的B2O3對耐火材料有著非常強的侵蝕能力,而結(jié)構(gòu)致密的氧化鉻磚對硼酸鹽玻璃熔液有著非常好的抗侵蝕能力,其侵蝕的速度是其它系耐火材料的十分一到百分之一。同時致密的氧化鉻磚開口氣孔率低、比表面積小、強度高,可有效的抑制氧化鉻的揮發(fā)、玻璃渣的滲透和沖刷侵蝕。圖2為不同材質(zhì)的耐火材料與無堿玻璃熔渣的抗侵蝕檢測結(jié)果,可以看出僅致密氧化鉻磚在1400-1600℃的高溫條件下基本沒有體積損失,其它材質(zhì)的耐火材料均隨著溫度的升高有不同程度的損失。