刚玉砖

刚玉砖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。我厂开发生产的部分高性能铬刚玉砖(AK 、AKZ)的理化性能指标已达到国外部分同类产品及刚玉砖的性能指标要求。

可以看出,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。

刚玉砖是指氧化铝的含量大于90%、以刚玉为主晶相的耐火材料制品。很高的常温耐压强度(可达340MPa)。高的荷重软化开始温度(大于1700℃)。很好的化学稳定性,对酸性或碱性渣、金属以及玻璃液等均有较强的抵抗能力。热震稳定性与其组织结构有关,致密制品的耐侵蚀性能良好,但热震稳定性较差。分为烧结刚玉砖和电熔刚玉砖两种。可分别用烧结氧化铝和电熔刚玉作原料或Al2O3/SiO2比高的矾土熟料与烧结氧化铝配合,采用烧结法制成。也可用磷酸或其他黏结剂制成不烧刚玉砖。主要用于炼铁高炉和高炉热风炉、炼钢炉外精炼炉、滑动水器、玻璃熔窑以及石油化工工业炉等。

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 　刚玉砖的耐火性能

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 　刚玉砖的强度

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。

3 　热震稳定性

据资料报道, 在刚玉中加入Cr2O3 , 当C r2O3 含量为10 %～ 66 %时, 材料的热震稳定性随C r2O3 含量的增加而降低, 即C r2O3 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。

4 　抗渣侵蚀能力

各种耐火材料氧化物在熔融煤渣中的溶解度：Cr2O3 在煤气化炉渣(SiO2 -CaO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。

不同Cr2O3 含量的铬刚玉砖与刚玉砖被玻璃熔渣侵蚀的深度不同。试验表明:Cr2O3 <17 %时, 砖中Cr2O3 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 ～ 10 mm 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 。

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,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,使用刚玉砖比相同条件下使用的刚玉砖寿命延长一倍。生产的AK 型铬刚玉砖在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 .53 MPa)、强还原气氛(CO H2 CH4)且气流速度大(约10 m·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, 在气化炉上使用刚玉砖可以提高气化炉的使用寿命 。

主要矿物组成为α-Al₂O₃-Cr₂O₃固溶体。次要矿物组成为少量复合尖晶石(或不含复合尖晶石)、氧化铬含量为1%～30%的耐火砖。有熔铸铬刚玉砖和烧结铬刚玉砖两种。一般情况下铬刚玉砖就是指烧结铬刚玉砖 。

熔铸刚玉砖的制造工艺流程见图1 。