以氧化铝-氧化铬为主要原料生产的高性能铬刚玉砖,具有耐火度高、强度大、热震稳定性好、抗侵蚀能力强的特点,使用中耐冲刷,耐磨损抗侵蚀,抗结构剥落,已在冶金、玻璃、炭黑、石油化工行业取得了良好的使用效果。
刚玉砖已广泛应用于高温、高压、化学侵蚀和机械磨损严重的石化热工装置中作内衬材料,随着石化行业生产技术的进步,生产中采用了很多新工艺和新技术,为使设备达到大负荷、长周期、低能耗、低成本的目的,除对各种热工设备进行改造外还对各种热工设备的内衬材料提出了更高的要求。为此,开发了一种耐高温和抗侵蚀性更好的铬刚玉系列产品,以满足石化行业的需求。
1 制品的研制及性能指标
铬刚玉系列产品所用原料是由氧化铝和氧化铬按一定比例配比,经过高温熔化合成的一种固溶体。采用特种耐火材料生产工艺制成耐火砖,可以改善和提高制品的内在质量,提高制品的高温性能。生产的铬刚玉砖性能优异,可达到国外同类产品的质量水平,在使用中可替代进口耐火材料。
2 性能分析
2.1 耐火砖的耐火性能
由Al2O3-Cr2O3二元相图可知,Al2O3和Cr2O3能形成连续固溶体,而没有低共熔物产生。因此,在高纯刚玉材料中加入Cr2O3,不论加入量多少,不仅不会降低材料的耐火性能,反而使材料的耐火性能有所提高。铬刚玉砖的耐火度(>1790℃)及荷重软化温度(>1700℃)均优于高纯刚玉制品。
2.2 耐火砖的强度
高纯刚玉砖的常温耐压强度一般为70～100MPa，高性能铬刚玉砖的常温耐压强度一般＞150MPa。其强度明显高于刚玉砖。这是由于制品在烧成过程中,其颗粒与颗粒之间,颗粒与细粉之间,细粉与细粉之间均形成了Al2O3-Cr2O3固溶体,该固溶体象桥一样把颗粒、细粉连接在一起,使材料的强度大大提高。
2.3 热震稳定性
据资料报道,在刚玉中加入Cr2O3,当Cr2O3含量为10%～66%时,材料的热震稳定性随Cr2O3含量的增加而降低,即Cr2O3含量低的铬刚玉砖,其热震稳定性好于Cr2O3含量高的铬刚玉砖。我厂推广应用的高性能铬刚玉砖Cr2O3含量在12%~20%之间,其热震稳定性比刚玉砖有所提高;尤其是加入少量产生相变的添加剂而生产出的AKZ型铬刚玉砖,热震稳定性更优。
2.4 抗渣侵蚀能力
图1为各种耐火材料氧化物在熔融煤渣中的溶解度。由图1可知,Cr2O3在煤气化炉渣系)及各种玻璃熔体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钢渣、有色冶炼渣、煤气化炉渣、油气化炉渣和各种玻璃熔体熔蚀能力。Cr2O3熔体或Cr2O3与炉渣反应生成的液相粘度比其他低熔物粘度大,这就阻止了熔渣沿毛细气孔向砖体内部渗透,避免形成变质层而产生结构剥落。
图2示出了不同Cr2O3含量的铬刚玉砖与刚玉砖被玻璃熔渣侵蚀的深度。试验表明时,砖中Cr2O3＜17%时，含量愈高,玻璃熔渣侵入的深度愈浅。
为了更进一步弄清气化炉熔渣对刚玉砖和铬刚玉砖的侵蚀情况,以坩埚法用气化炉渣样在1500℃下进行的抗渣试验表明:刚玉砖被熔渣严重侵蚀,炉渣全部渗入砖中,并沿砖内部气孔渗透到表面,砖变成褐色,几乎没有渣残留;铬刚玉砖几乎不被熔渣侵蚀,渣与砖表面没有明显的化学反应,内孔边缘与残渣界限分明,渣向砖内渗透很少砖孔周围只形成约5～10mm厚的变质层,大量熔渣残存于坩埚孔内。
通过理论分析及实践证明:铬刚玉砖抗气化炉熔渣的化学熔蚀及渗透性均比刚玉砖好,抗结构剥落性也比刚玉砖优越。
3 应用
在钢铁行业中使用,铬刚玉材质比刚玉材质使用寿命延长一倍以上,如钢包透气砖等;在有色冶炼行业使用,铬刚玉砖的耐磨性及抗侵蚀性明显优于其他砖种;在炭黑行业中,广东茂名炭黑厂使用铬刚玉砖比相同条件下使用的刚玉砖寿命延长一倍。本厂生产的AK型铬刚玉砖在绛县炭黑厂的炭黑反应炉上使用,使用寿命已超过刚玉砖。
在石油化工行业中,大、中型化肥厂气化炉内由于长期高温(1350～1450℃)、高压(3.1～8.53MPa)、强还原气氛(CO+H2+CH4)且气流速度大(约10m·s-1),对炉衬耐火材料的侵蚀、破坏较严重,所以对炉衬耐火材料要求更高。高性能铬刚玉砖密度大,强度高,比刚玉砖更具抗气流冲刷能力及耐磨性。在刚玉砖中引入Cr2O3使制品的内在质量发生变化,使砖的抗熔渣侵蚀及抗渗透性显著提高,在气化炉上使用铬刚玉砖可以提高气化炉的使用寿命。
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