剛玉磚

剛玉磚是指氧化鋁的含量大於90%、以剛玉為主晶相的耐火材料製品。很高的常温耐壓強度(可達340MPa)。高的荷重軟化開始温度(大於1700℃)。很好的化學穩定性,對酸性或鹼性渣、金屬以及玻璃液等均有較強的抵抗能力。熱震穩定性與其組織結構有關,緻密製品的耐侵蝕性能良好,但熱震穩定性較差。分為燒結剛玉磚和電熔剛玉磚兩種。可分別用燒結氧化鋁和電熔剛玉作原料或Al2O3/SiO2比高的礬土熟料與燒結氧化鋁配合,採用燒結法製成。也可用磷酸或其他黏結劑製成不燒剛玉磚。主要用於鍊鐵高爐和高爐熱風爐、鍊鋼爐外精煉爐、滑動水器、玻璃熔窯以及石油化工工業爐等。

剛玉磚已廣泛應用於高温、高壓、化學侵蝕和機械磨損嚴重的石化熱工裝置中作內襯材料, 隨着石化行業生產技術的進步, 生產中採用了很多新工藝和新技術, 為使設備達到大負荷、長週期、低能耗、低成本的目的, 除對各種熱工設備進行改造外,還對各種熱工設備的內襯材料提出了更高的要求。為此, 開發了一種耐高温和抗侵蝕性更好的鉻剛玉系列產品, 以滿足石化行業的需求 ^[1]  。

剛玉磚所用原料是由氧化鋁和氧化鉻按一定比例配比, 經過高温熔化合成的一種固溶體。採用特種耐火材料生產工藝製成耐火磚, 可以改善和提高製品的內在質量, 提高製品的高温性能。我廠開發生產的部分高性能鉻剛玉磚(AK 、AKZ)的理化性能指標已達到國外部分同類產品及剛玉磚的性能指標要求。

可以看出,剛玉磚性能優異, 可達到國外同類產品的質量水平, 在使用中可替代進口耐火材料。

1 　剛玉磚的耐火性能

由Al2O3 -Cr2O3 二元相圖可知,Al2O3 和Cr2O3能形成連續固溶體, 而沒有低共熔物產生。因此, 在高純剛玉材料中加入Cr2O3 , 不論加入量多少, 不僅不會降低材料的耐火性能, 反而使材料的耐火性能有所提高。鉻剛玉磚的耐火度(>1790 ℃)及荷重軟化温度(>1700 ℃)均優於高純剛玉製品。

2 　剛玉磚的強度

高純剛玉磚的常温耐壓強度一般為70 ～ 100MPa , 高性能鉻剛玉磚的常温耐壓強度一般>150MPa , 其強度明顯高於剛玉磚。這是由於製品在燒成過程中, 其顆粒與顆粒之間, 顆粒與細粉之間, 細粉與細粉之間均形成了Al2O3 -Cr2O3 固溶體, 該固溶體象橋一樣把顆粒、細粉連接在一起, 使材料的強度大大提高。

3 　熱震穩定性

據資料報道, 在剛玉中加入Cr2O3 , 當C r2O3 含量為10 %～ 66 %時, 材料的熱震穩定性隨C r2O3 含量的增加而降低, 即C r2O3 含量低的鉻剛玉磚, 其熱震穩定性好於Cr2O3 含量高的鉻剛玉磚。我廠推廣應用的高性能鉻剛玉磚Cr2O3 含量在12 %～20 %之間, 其熱震穩定性比剛玉磚有所提高;尤其是加入少量產生相變的添加劑而生產出的AKZ 型鉻剛玉磚, 熱震穩定性更優。

4 　抗渣侵蝕能力

各種耐火材料氧化物在熔融煤渣中的溶解度：Cr2O3 在煤氣化爐渣(SiO2 -CaO系)及各種玻璃熔體中的溶解度比其他氧化物材料的溶解度要小得多。因而Cr2O3 或含Cr2O3 的耐火材料具有良好的抗鋼渣、有色冶煉渣、煤氣化爐渣、油氣化爐渣和各種玻璃熔體熔蝕能力。Cr2O3 熔體或Cr2O3 與爐渣反應生成的液相粘度比其他低熔物粘度大, 這就阻止了熔渣沿毛細氣孔向磚體內部滲透, 避免形成變質層而產生結構剝落。

不同Cr2O3 含量的鉻剛玉磚與剛玉磚被玻璃熔渣侵蝕的深度不同。試驗表明:Cr2O3 <17 %時, 磚中Cr2O3 含量愈高, 玻璃熔渣侵入的深度愈淺。

為了更進一步弄清氣化爐熔渣對剛玉磚和鉻剛玉磚的侵蝕情況, 以坩堝法用氣化爐渣樣在1500 ℃下進行的抗渣試驗表明:剛玉磚被熔渣嚴重侵蝕, 爐渣全部滲入磚中, 並沿磚內部氣孔滲透到表面, 磚變成褐色, 幾乎沒有渣殘留;鉻剛玉磚幾乎不被熔渣侵蝕, 渣與磚表面沒有明顯的化學反應, 內孔邊緣與殘渣界限分明, 渣向磚內滲透很少,磚孔周圍只形成約5 ～ 10 mm 厚的變質層, 大量熔渣殘存於坩堝孔內。

通過理論分析及實踐證明:鉻剛玉磚抗氣化爐熔渣的化學熔蝕及滲透性均比剛玉磚好, 抗結構剝落性也比剛玉磚優越 ^[2]  。

在鋼鐵行業中使用, 鉻剛玉材質比剛玉材質使用壽命延長一倍以上, 如鋼包透氣磚等;在有色冶煉行業使用,剛玉磚的耐磨性及抗侵蝕性明顯優於其他磚種;在炭黑行業中,使用剛玉磚比相同條件下使用的剛玉磚壽命延長一倍。生產的AK 型鉻剛玉磚在炭黑廠的炭黑反應爐上使用, 使用壽命已超過剛玉磚。

在石油化工行業中, 大、中型化肥廠氣化爐內由於長期高温(1350 ～ 1450 ℃)、高壓(3 .1 ～8 .53 MPa)、強還原氣氛(CO +H2 +CH4)且氣流速度大(約10 m·s-1), 對爐襯耐火材料的侵蝕、破壞較嚴重, 所以對爐襯耐火材料要求更高。高性能剛玉磚密度大, 強度高, 比剛玉磚更具抗氣流沖刷能力及耐磨性。在剛玉磚中引入Cr2O3 使製品的內在質量發生變化, 使磚的抗熔渣侵蝕及抗滲透性顯著提高, 在氣化爐上使用剛玉磚可以提高氣化爐的使用壽命 ^[3]  。