耐火材料工作襯侵蝕通常被劃分為化學侵蝕、熱侵蝕和機械侵蝕。這些侵蝕可以以單項形式出現,也可以多項形式複合出現。耐火材料的損毀可以是連續的(溶蝕和侵蝕)或是不連續的(開裂和剝落)。剝落導致耐火磚不連續的局部分離。嚴重的渣滲透的最終結果是導致靠近熱面耐火磚的緻密化。緻密化區域與非滲透區域所形成的熱膨脹性能差異產生巨大內部應力,最終導致裂紋的形成和開裂。一般情況下,強熱震會導致熱剝落。
我們在之前的文章中已經對化學侵蝕做了一個簡單的介紹,詳見《 耐火材料在銅熔煉高溫窯爐中被化學侵蝕的方式有哪些? 》,本文主要分析銅冶煉爐用耐火材料使用過程中的物理侵蝕,即「熱侵蝕」和「機械侵蝕」。以此來了解耐火材料在銅冶煉爐中的工況環境,進而更好更有效地延長窯爐內襯的使用壽命。
1、熱侵蝕
1.1溫度
儘管用於銅冶煉爐的耐火材料的可使用溫度(1600~1700℃)遠高於銅冶煉爐的實際使用溫度,然而銅冶煉爐的溫度對於耐火材料的連續性侵蝕起到了重要作用。通過與熔池中物質發生界面反應,耐火磚高溫強度顯著降低,升高溫度明顯導致了高熱熔渣黏度降低,擴散性增強,侵蝕速度加快。
1.2熱震
窯爐操作中斷和違規操作造成的溫度波動會使耐火磚內部產生應力,這種應力一旦超過極限值,會導致耐火磚內部產生裂紋。爐料與耐火磚的界面反應會使結構緻密,並對耐火磚吸收應力的能力產生不利影響。耐火材料熱震穩定性隨著材料韌性和熱導率的增大而增強,且隨著熱膨脹係數和彈性模量的減小而增強。斷裂模量與彈性模量的比值大,會減少裂紋的形成,並提高材料的彈性。
1.3金屬液滲透
由於液態金屬銅向耐火磚中滲透,耐火磚熱導率的增大會大幅提高耐火磚深度方向上的實際溫度,因而影響材料的耐腐蝕性和熱反應性。儘管純的液態金屬銅幾乎不向耐火磚中滲透,液態金屬銅中氧的存在卻促進了液態金屬銅向耐火材料中滲入,氧可以影響液態金屬銅與耐火材料氧化物之間接觸角。在潤溼條件下,耐火材料表面形成了銅的氧化物薄膜,這種薄膜熱導率低,因此在有氧甚至缺氧條件下,耐火材料的熱導率會降低。
1.4熱疲勞
熱疲勞現象只在迴轉窯內出現,由於耐火材料熱面發生微小連續的熱循環作用,導致了微觀結構性能的降低。
2、機械侵蝕
2.1磨蝕
磨蝕首先是由於冶煉爐中物料(包括液態金屬、熔渣、爐料以及氣體揮發後形成的粉塵)的移動所導致的,其次在某些特殊工藝過程中,向爐內噴吹物料,以上都是導致爐襯耐火材料發生連續性侵蝕的因素。
2.2碰撞應力
向冶煉爐內噴吹物料時所造成的敲擊、碰撞以及研磨導致的應力效應,造成耐火材料中形成裂紋和耐火材料的磨損。
2.3機械疲勞
機械疲勞的起因和結果與熱疲勞相似,不同之處在於機械疲勞在耐火磚上比熱疲勞影響區域更深,機械疲勞往往對於周期性改變載荷的迴轉窯具有更重要的作用。
2.4施工應力
施工應力是源於不當的爐襯砌築方法或是錯誤的加熱制度,會造成爐襯的變形和開裂。