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抗侵蚀性的影响因素及测量方法

作者:admin 发布日期: 2019-09-16 二维码分享

抗侵蚀性的影响因素及测量方法

抗侵蚀性是指耐火材料在高温下抵抗各种侵蚀介质侵蚀和冲蚀作用的能力。这些侵蚀介质包括各种炉渣(高炉、电炉、转炉、精炼炉、有色金属冶炼炉、煅烧炉、反应炉)、燃料、灰分、飞尘、铁屑、石灰、水泥熟料、氧化铝熟料、垃圾、液态熔融金属、玻璃溶液、酸碱、电解质液、各种气态物质(煤气、CO、硫、锌及碱蒸气)等。
抗侵蚀性是衡量耐火材料抗化学侵蚀和机械磨损的一项非常重要的指标,对于制定正确的生产工艺,合理选用耐火材料具有重要的意义。
影响耐火材料抗侵蚀性的因素有内在的和外在的。内在因素主要包括:耐火材料的化学、矿物组成,耐火材料的组织结构与其他性能等;外在的有:侵蚀介质的性质、使用条件(温度、压力等)以及侵蚀介质与耐火材料在使用条件下的相互作用。
(1)耐火材料的化学、矿物组成。不同化学组成的材料其抗侵蚀性不同,酸性耐火材料对酸性侵蚀介质有较好的抗侵蚀性,而碱性耐火材料抵抗酸性侵蚀介质侵蚀的能力就很弱。
耐火材料是多相聚集体,由主晶相和基质组成。主晶相的耐火度高、晶粒大、晶界少,抗侵蚀性相对好一些;若基质中杂质含量高,则易于形成液相,若形成的液相黏度低,对材料的抗侵蚀性不利。
(2)耐火材料的组织结构。主要指耐火材料中各物相的分布与结合情况以及气孔的数量、大小、形状及分布状况等。
(3)耐火材料的其他性能。耐火材料的体积密度、显气孔率、抗热震性、抗氧化性、高温体积稳定性等对其抗侵蚀性影响很大。体积密度高、气孔率低的致密材料相对疏松的材料有较好的抗侵蚀性;抗热震性差的材料收到热冲击的时候,会出现裂纹或开裂剥落,从而使侵蚀介质进入材料内部,导致其抗侵蚀性降低;抗氧化性差的含碳耐火材料,表面氧化后形成脱碳层,结构疏松易脱落,使抗侵蚀性降低;高温体积稳定性差的材料,一般也会使其抗侵蚀性变差。
(4)侵蚀介质的影响。主要指侵蚀介质的化学组成、酸碱性、黏度,介质的温度、流动速度(静态还是动态),压力和气氛(对气态侵蚀介质,氧化性、还原性等)等。
(5)耐火材料与侵蚀介质的相互作用。耐火材料与侵蚀介质发生反应形成高熔点或高黏度物相,有利于降低对材料的侵蚀。
(6)使用条件的影响。主要包括温度高低及波动情况、压力、气氛、接触时间及面积等。温度高,波动大,压力大或真空,气氛侵蚀性强,接触时间长、面积大,对材料的侵蚀就越严重。
基于以上分析,改进耐火材料的抗侵蚀性可采取以下措施:
(1)提高原料的纯度,改善制品的化学矿物组成,尽量减少低熔物及杂质的含量;
(2)注意耐火材料的选材,尽量选用与侵蚀介质的化学组成相近的耐火材料;另外,耐火材料在使用中,还应该注意到所用材料之间化学特性应相近,防止或减轻在高温条件下所用材料之间的界面损毁反应。
(3)选择适宜的生产方法,获得具有致密而均匀的组织结构的制品。
由于侵蚀介质的多样性和复杂性,因此研究耐火材料抗侵蚀性的试验方法也应该不同。这里进介绍抗渣性、抗酸、抗碱、抗玻璃熔液侵蚀、抗CO侵蚀性等的试验方法。
(1)抗渣性
由于各种炉料、燃料、灰分、飞尘、铁屑、石灰、水泥熟料、氧化铝熟料、垃圾、液态熔融金属等可广义地称为熔渣,因此,这里的抗渣性包括的内容很广。
测定耐火材料抗渣性方法分为静态法和动态法两种。
1)静态法包括熔锥法、坩埚法和浸渍法。
2)动态法包括回转渣蚀法、转动浸渍法(旋转圆柱体法)、撒渣法、高温滴渣法、喷渣法和感应炉法。此外还有吸渣荷重变形法等。
国家标准GB 8931-1988规定了用回转渣蚀法测定耐火材料抗渣性的试验方法。其原理是:用试样砖组成断面呈多边形的试验镶板,作为回转圆筒炉的内衬,加热到试验温度,并按规定的时间承受选定炉渣的侵蚀与冲刷作用。测定试验前、后试样砖的厚度变化,以比较其抗渣性。
旋转圆柱体法:将圆柱体试样浸入盛有炉渣的铅坩埚内,在一定高温(例如1600~1700℃)与旋转速度(200~500r/min)进行定时间的侵蚀试验。然后,将试样提高熔渣并以告诉旋转试样以甩掉试样表面的粘附渣。以试验前后圆柱体试样的尺寸变化来确定材料的抗熔渣的侵蚀性。该方法的优点是可以模拟高温冶炼条件下,不同材料抗侵蚀与抗冲刷性的能力。
(2)抗酸性
抗酸性是耐火材料抵抗酸侵蚀的能力。测定耐火制品抗酸性的方法一般选用硫酸作为侵蚀剂。国家标准GB/T 17601-1998(等效采用国际标准ISO 8890:1988)规定了致密定形耐火制品耐硫酸侵蚀性试验方法。试验要点是:将按规定方法制备的试样(0.63~0.80mm的颗粒),放入浓度为70%(m/m)的沸硫酸中浸蚀6h,然后测定其质量损失,以试样初始质量的百分率(酸蚀率)表示抗酸性。计算公式如下:
Ra=(m1-m2)/m1
式中Ra=试样的酸蚀率,%;
m1=试样的初始质量,g;
m2=酸蚀后残存试样的质量,g。
3)抗碱性
抗碱性是耐火材料在高温下抵抗碱腐蚀的能力。测定耐火材料抗碱性方法,通常以无水K2CO3为侵蚀介质,有混合侵蚀法和直接接触熔融侵蚀法两种。
国家标准GB/T 14983-1994规定了耐火材料抗碱性试验方法,该方法采用的是混合侵蚀法。其原理是,在1100℃下,K2CO3与木炭反应生成碱蒸气,对耐火材料试样发生侵蚀作用,生成新的碱金属的硅酸盐和碳酸盐化合物,使耐火材料性能发生变化。测定结果用肉眼评定、显微结构检验和计算。其中计算是以强度下降率和线变化率表示其抗碱性的优劣。
强度下降率按下式计算:
Pr=(P0-P1)/P0
式中Pr=强度下降率,%;
P0=试样抗碱试验前的常温耐压强度,MPa;
P1=试样抗碱试验后的常温耐压强度,MPa;
线变化率按下式计算:
Lc=(L1-L0)/L0
式中Lc=抗碱试验后试样的线变化率,%;
L1=抗碱试验后试样长度,mm;
L0=抗碱试验前试样强度,mm。
强度下降率为主要评价依据,线变化率为评价辅助依据。
4)抗玻璃熔液侵蚀
康博利溶液侵蚀是玻璃窑用耐火材料抵抗玻璃熔液侵蚀、冲刷的能力。国家标准GB/T 10204-1988规定了玻璃熔窑用耐火材料静态下抗玻璃熔液侵蚀的试验方法。
耐火材料与玻璃熔液相接触时,在接触面会发现物理化学反应,从而在材料的表面留下明显的凹痕。该试验方法就是通过测量试样凹痕的深度来表示耐火材料在规定条件下的抗玻璃熔液侵蚀的能力。
5)抗CO侵蚀性
抗CO侵蚀性是指从耐火材料在CO气氛中抵抗开裂或崩解的能力。耐火材料在400~700℃遇到强烈的CO气氛时,由于CO分解,游离C就会沉积在材料商含铁点的周围,使材料崩裂损坏。降低材料的气孔率及其氧化铁含量,可以提高其抗CO侵蚀的能力。
目前,国际上对于耐火材料抗CO侵蚀性的测定尚没有统一的试验方法,大多采用目测裂纹和炭素沉积来判断受损程度,如美国的ASTM C288-1987、英国的BS 1902:3*10等,这些方法是将待检测试样置于一定温度的(前者是495~505℃,后者是450℃)的CO气氛中(前者CO含量95%以上,后者纯CO),以侵蚀200h后试样的表现情况变化来表征材料的抗CO侵蚀能力。Marit Steinmo 等提出的“膨胀测量法”对微小炭素沉积造成的破坏很难评价。孟庆民等人的研究除用目测观察试样的破坏状况外,还根据CO破坏前后试样常温耐压强度、显气孔率和质量等的变化来定量判定其破坏程度。
在高炉耐火材料实际应用过程中,其侵蚀行为发生于一种含氢量约为7%左右的混合气氛中。为了更准确地模拟CO侵蚀的实际情况,并且缩短原标准方法中200h的试验时间,有研究者以高炉喷补料为对象,研究了高炉喷补料在纯CO和95%CO+5%H2两种气相组成条件下抗CO侵蚀能力。结果表明,同一试样在95%CO+5%H2气相中反应24h与在纯CO气相中反应200h取得相似的结果,可以用95%CO+5%H2代替纯CO进行耐火材料抗CO侵蚀能力检测,以缩短检测时间。


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