含铬耐火材料的性能及应用
发布日期： 2020-12-21 14:32:43 阅读量（475） 作者：含有Cr2O3的耐火材料具有良好的高温抗侵蚀性能，在目前发现的所有的耐火材料的氧化物添加剂中，Cr2O3可以说是其中性能最优越的之一。Cr2O3抗浸蚀性能优越的主要原因为：
1)Cr2O3能够和耐火材料中一些主要的氧化物相互固溶，形成高熔点低共熔点的固溶体。
如表1所示，其形成的固溶体的熔点几乎都在2000℃左右，因此三氧化二铬成为了耐火材料的重要原料以及添加剂;
表1 Cr2O3与一些耐火材料常用氧化物形成的二元系
2)耐火浇注料与高温熔体相互作用而损毁的主要原因可以归纳为：
机械作用、炉渣化学侵蚀以及热应力作用，通常情况下耐火材料的损毁是三者综合作用的结果。机械作用主要是指耐火材料受到炉料、高温熔体和高温气流的冲刷与磨损;化学侵蚀则是指由化学反应引起的破坏，耐火材料在服役的过程中会与接触的炉渣、熔体、烟气与粉尘等物质时发生物理化学反应从而导致其结构遭到破坏，其主要的过程为液相的溶解与渗透，主要的表现形式为渗透、渣蚀和溶蚀。
Cr2O3能够降低熔渣对耐火材料的润湿性，使熔渣对耐火材料的浸蚀降低，同时还能降低其对耐火材料的渗透作用。李勇等研究了61.5%SiO2-17.8%Al2O3-20.7%MgO渣分别在镁质耐火材料和镁质含铬耐火材料的接触角，发现在1370℃保温2小时后，熔渣在含铬耐火材料上的接触角较大，说明熔渣对其的润湿性差。
熔渣对耐火材料的侵蚀主要是通过渗透作用进入到耐火材料中形成侵蚀层，当温度发生激烈的变化时，侵蚀层中的矿物生产膨胀而产生结构应力，导致材料的内部形成裂纹，致使耐火材料出现结构性剥落。当在耐火材料中添加一定量Cr2O3时，能够有效的降低熔渣在耐火材料中的渗透作用，即使是渗透能力极强的含S和O的炼铜渣也能够起到同样的作用，从而减少因此导致的结构剥落。
当耐火材料中含有Cr2O3时其会与熔渣相互渗透，Cr2O3进入熔渣后会影响熔渣的粘度。王诚训等研究了硅酸盐渣的粘度与Cr2O3含量的关系，表明Cr2O3不仅在硅盐酸渣中的溶解度较低，而且还会显著的增加熔渣粘度，降低熔渣的流动性，因此能够减少渣对耐火材料的侵蚀作用。熔渣粘度的增加能减缓其对耐火材料的渗透作用，减少在耐火材料中形成渗透层，从而能够降低耐火材料的结构性剥落。所以含铬耐火材料在有色冶金、钢铁冶金、水煤浆气化炉及玻璃行业中广泛的应用。在所有的碱性耐火材料中，含铬耐火材料被视为性能最佳的耐火材料。
虽然含铬耐火材料有着优良的使用性能，但是从20世纪80年代后期开始，其用量大大的减少，主要是因为含铬耐火材料在服役的过程中，Cr2O3中的三价铬可能被氧化成有毒的六价铬，其对人体和环境有很严重的危害。人们开始使用一些无铬的耐火材料代替含铬耐火材料，但是在一些服役条件苛刻的环境中，含铬耐火材料因为其优异的性能还是无可替代的，比如水泥回转窑的高温烧成带，炉外精炼炉的内衬、水煤浆气化炉等等仍然在大量的使用含铬耐火材料。
在水泥行业中，为了降低六价铬的污染，人们曾用白云石、铁铝尖晶石、镁白云石、镁铝尖晶石以及镁钙锆耐火材料等来代替原本的镁铬耐火材料，但是其效果都不理想，存在这样或者那样的问题尚未解决。首先，白云石、镁白云石和镁铝尖晶石等材料的挂窑皮性能差而且导热系数高，使用这些材质的耐火材料会使炉窑壳的整体温度上升20~50℃，影响炉窑本身的整体性结构，也提高了对轮箍膨胀补偿的要求;其次，由于白云石中活性氧化钙的含量较高，易吸水发生水化，在运输和储存的过程中都有着特殊的要求，特别是在水泥回转窑停窑期间白云石的水化尤其严重;铁铝尖晶石耐火材料虽然有着优良的挂窑皮性能，但在使用的过程中因为水泥回转窑气氛地变化会使铁在二价和三价之间转变，导致耐火材料的结构变疏松，从而影响耐火材料的正常使用。综合以上的原因，由于镁铬耐火材料具有高温强度大以及挂窑皮性能良好等优点，目前还在水泥回转窑的高温烧成带中大量的应用。
在钢铁行业中，很多的部位都可以使用无铬的环境友好型耐火材料，但是有些地方的耐火材料因为受到钢液以及熔渣的严重侵蚀或者需要承受剧烈的温度变化和环境气氛变化，例如炉外精炼炉，普通的耐火材料难于抵抗钢铁冲刷和气氛的变化。
在水煤浆气化炉中，虽然氮化硅、碳化硅和氧氮化硅材料对多数的硅酸盐溶体具有良好的相容性和化学惰性，但是由于其工作环境为强还原性气氛，使其变地不稳定且易分解。此外这些材料容易与煤熔渣中的氧化亚铁反应破坏材料的原始组分和结构。所以，碳化物或者氮化物一般不用作水煤浆气化炉的炉衬材料。
在有色冶金熔炼炉中，与传统的炼钢炉相比，有色金属熔炼炉有着更高的氧分压。虽然镁碳耐火材料在转炉中表现出了良好的使用性能，但是因为有色冶金熔炼炉有着较高的氧分压，镁碳耐火材料易被氧化而损坏。相比之下含铬耐火材料因为具有良好的抗渣性能，高温强度高等特点，是目前有色金属熔炼炉较为理想的耐火材料。
图2 不同耐火材料在不同温度下的抗侵蚀性能
(1-石英;2-锆石英;3-AZS;4-刚玉;5-粘土砖;6-致密氧化铬砖)
在生产玻璃的池窑中，熔融玻璃所含的B2O3对耐火材料有着非常强的侵蚀能力，而结构致密的氧化铬砖对硼酸盐玻璃熔液有着非常好的抗侵蚀能力，其侵蚀的速度是其它系耐火材料的十分一到百分之一。同时致密的氧化铬砖开口气孔率低、比表面积小、强度高，可有效的抑制氧化铬的挥发、玻璃渣的渗透和冲刷侵蚀。图2为不同材质的耐火材料与无碱玻璃熔渣的抗侵蚀检测结果，可以看出仅致密氧化铬砖在1400-1600℃的高温条件下基本没有体积损失，其它材质的耐火材料均随着温度的升高有不同程度的损失。
相关阅读
免责声明：
本站部分文章来源于互联网，编辑转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点核对其真实性负责。
如涉及作品内容、版权和其他问题请书面发函至本公司，我们将在第一时间处理。
