试析使用特殊原、燃料对耐火材料与设备的腐蚀问题

2024-03-16张建武

中国设备工程 2024年3期

张建武

（甘肃酒钢集团科力耐火材料股份有限公司，甘肃嘉峪关 735100）

在现代工业快速发展的时代背景下，生产中的耐火材料与设备离不开对原、燃料的应用，随着特殊原、燃料种类不断增多，其中硫、磷、氯、氧等元素的含量不断增加，在其影响下对耐火材料与设备的腐蚀问题日趋严重。对此，为促使耐火材料与设备具有较强的耐腐蚀性，要对其腐蚀机理与特征进行深入分析。

1 特殊原、燃料中的腐蚀元素及其循环特性

1.1 腐蚀元素来源

在耐火材料与设备的生产活动开展期间，为进一步提升其耐蚀性，避免其出现腐蚀问题，通常会在原燃料中加入一些特殊元素，使其与耐火材料发生化学反应，导致耐火材料与设备的腐蚀问题更严重，这种现象在炼钢和炼铁过程中尤为常见。在炼钢中加入铁或镁，在炼铁时加入铬、钛、钒等元素，这些特殊元素在原燃料中的含量提高，使耐火材料与设备的腐蚀速率加快。在通常情况下，为提升耐火设备与材料的使用效果，加快生产速率，通常会直接使用已有的原燃料，其中存在的大量杂质不仅会导致耐火材料和设备的抗腐蚀性大大降低，进而引发耐火材料与设备出现损坏问题，还会对其产生腐蚀，影响其生产质量与使用效果。

以钢铁冶炼为例，在部分高炉原燃料资源相对匮乏的地区，其燃料来源全部依赖外购，但为部分生产企业为降低钢铁冶炼的生产成本，通常会选择价格较低的矿石，这种矿石具有来源复杂、入炉矿石品位低、有害元素含量高等特点，其中，当其硫、磷、砷、氟、氯、钾、钠、铅、锌等有害元素含量较高时，就会对该钢铁冶炼中的耐火材料和设备产生腐蚀作用。如果忽略对其钢铁冶炼原燃料中腐蚀元素含量的控制，不仅会使钢铁冶炼的原燃料质量大大降低，导致其在冶炼过程中增加渣量和熔剂用量，还会使炼钢炉外的工作负荷进一步增加。如果在耐火材料和设备生产过程中忽略对废料的控制与和处理，随着钠、钾、锌、铅等有害元素在耐火材料与设备中的循环富集、膨胀和渗透，当系统中氯、硫、钠、钾等腐蚀元素的含量超过目标值控制要求时，就会在一定程度上影响生产系统运行的稳定性，降低产品生产质量的同时，严重腐蚀生产系统中与其发生直接接触的耐火材料与设备，导致其生产指标和使用寿命受到影响。

1.2 原燃料的特性

在耐火材料与设备生产过程中形成的黏土、矿渣、粉煤灰、脱硫灰等物质均属于原燃料，在其使用过程中，其使用种类和数量取决于原料中含有害杂质的多少和生产系统所需产量的实际大小，结合生产系统对其实际用量的需求，选择不同品质的原燃料种类。以产品用途为依据对所需原燃料种类进行确定，这点从用于生产钢铁等金属材料的原燃料不能用于耐火材料与设备的生产，用于生产水泥的原燃料不能用于生产玻璃的原料等方面均可看出。如果原燃料中含有硫、磷等有害杂质或二氧化硫等有毒物质，在其使用过程中要以产品用途和性质为重要依据，对其使用条件做出准确判断。在高温工作环境下使用原燃料，要对其在该环境条件下的稳定性进行充分考虑，结合高温环境的具体条件，对其耐高温性能是否符合要求进行科学判断。

1.3 腐蚀元素特性

在现代工业生产中，通常选择铁、镁、铬、钒和硅等元素作为生产环节主要的原燃料。如果原料配比失衡或存在原燃料二次利用的情况，都会导致其中的氯、硫、碱含量过高，当耐火材料和设备在生产过程中出现腐蚀元素浓度不平衡的现象时，就会在热生产环节积聚大量的硫酸钾、氯化钠、氯化钾等盐类化合物，由于这些化合物不会随着生产产品共同从系统中排出，而是随着生产活动的开展在耐火衬里的表面逐渐累积和沉淀，在一定情况下，还会向其内部逐渐渗透。根据氯、硫、碱等化合物的挥发温度和熔融温度可以发现，在工业生产中，其沸点与熔点均处于耐火材料与设备生产环境温度范围内，对生产系统的耐火材料与设备和其他不同部位产生影响。

在钢铁冶炼中，高炉作为生产系统中重要的耐火材料和设备，生产过程中煤粉、焦炭、矿石杂质等原燃料中的硫化物是硫元素进入生产系统发生腐蚀作用的关键来源，在一般情况下，钢铁冶炼系统中硫元素含量大部分来自煤粉和焦炭，随着其原燃料硫含量的增加，钢铁冶炼期间铁水中硫元素的含量也会增多，导致生产产品极易产生热脆性，进而使其强度大幅下降。球团矿、烧结矿、煤粉和焦炭的灰分是钠、钾等碱金属元素腐蚀钢铁冶炼系统耐火材料和设备的主要来源。由于碱金属对高炉具有显著的危害作用，同时又可以催化焦炭溶损反应，达到降解焦炭的效果。碱金属元素在钢铁生产系统中的存在可以使矿石软化温度进一步降低，使烧结矿还原粉化和球团矿异常膨胀粉化现象更严重。当钠、钾等金属元素在耐火设备内部循环富集时，其与氧气反应生成的氧化物会与耐火设备内衬中的氧化硅和氧化铝发生化学反应，产生硅酸盐低熔物，使耐火材料体积出现膨胀，对生产系统的生产效率造成影响。与此同时，钠和钾的氧化物还可以作为析碳反应的催化剂，对耐火材料和设备产生更严重的腐蚀效果，加快其腐蚀速率。

2 耐火材料和设备在特殊原、燃料下的腐蚀机理

2.1 耐火材料类型

按照耐火材料组分，可以将耐火材料分为不同类型。由于部分耐火材料特殊的化学性质，极易与空气中的氧气发生化学反应，使其成分发生变化，在一定程度上削弱其对耐火材料和设备的腐蚀作用。对此，镁、铝、硅、铬、钙等元素的氧化物可以作为钢铁生产系统中良好的耐火材料和设备原料。按照其元素将其分为以氧化镁、氧化铬为主要成分的镁铬类耐火材料；以氧化镁、氧化铝为主要成分的镁铝类耐火材料；以氧化硅、氧化铝为主要成分的硅铝类耐火材料三种类型。在生产系统使用过程中，可以生产大量可直接使用且具有耐火性的镁铬砖。这种耐火砖在实际使用中通常具有较强的耐高温性能，可以对二氧化硅的侵蚀和氧化还原产生有效的抵抗作用。但这种耐火材料的剩余材料和废弃物会对自然生态环境造成严重污染，在当前许多工业产业发展相对发达的国家，已经停止了镁铬类耐火材料的生产和使用。

以镁铝尖晶砖石为代表的镁铝类耐火材料具有较强的耐火性特征，且其对熟料液和硫、碱熔融物的侵蚀具有一定抗性，同时具备抗耐火材料变形和抗热震的机械应力和抗热负荷等性能优势。相比镁铬砖，镁铝尖晶砖石在实际运用中具有更优良的使用性能，不仅作为钢铁生产系统主要耐火设备中的耐火材料在部分生产环节具有较高的应用价值，也是现代社会碱性砖工业生产技术的重要产物之一。在硅铝类耐火材料中，为确保其具有较强的抗碱侵蚀性能，通常会严格控制氧化铝在耐碱转中的质量分数。在保证耐碱砖中氧化铝的质量分数为30%，且荷重软化温度为1300℃左右时，将其在耐火设备侵蚀问题相对严重的部位。通过对抗剥落耐铝砖、磷酸盐结合高铝质耐磨砖、磷酸盐结合高铝砖等系列特种高铝砖的开发，以及新型渗透碳化硅高铝质砖的出现，满足生产系统中不同工况和部位对耐火、耐碱、耐磨等需求。

2.2 腐蚀元素侵蚀机理

耐火材料和设备的腐蚀大致可以分为化学侵蚀、机械应力和热应力三种类型，原燃料对其造成的腐蚀影响通常以化学侵蚀为主。受生产过程高温环境的影响，活性金属元素和原燃料中的各种杂质等化学成分会与耐火材料和设备发生化学反应进而造成腐蚀问题，且这种化学侵蚀的发生伴随着生产活动开展和耐火材料和设备完整的使用寿命。以钢铁冶炼过程为例，铁作为该工业活动开展中的主要成分，也是当前冶炼过程中应用最广泛的原料之一，这种材料在钢水中的溶解度不高，但在空气中具有较高的溶解度。基于其在不同环境下的溶解度差异，当炉渣中有钢水进入时会产生流动，炉渣中的铁元素会被带入钢水中，产生一部分铁水。由于铁水表面具有较强的氧化性，当耐火材料和设备与铁水相互接触时会迅速发生化学反应，生成氧化铁。基于耐火材料和设备耐腐蚀性强的特征，虽然氧化铁不会对其直接造成腐蚀，但当其表面存在氧化物时，使其耐腐蚀性受到影响，极易在后续生产过程中出现腐蚀问题，使其强度和使用寿命大大降低。

在常温环境下，镁通常作为一种惰性元素存在，不会在化学反应中直接参与。在炼钢过程中，为提升生产效率，部分生产厂家会将镁作为助熔剂和脱氧剂使其参与生产过程。当其温度条件发生变化时。镁在高温环境下会与水蒸气、氧气发生化学反应产生氧化镁，在钢中以结合氧化镁和游离氧化镁的形式存在，在高温条件下继续与水蒸气、氧气发生化学反应，对耐火材料和设备造成腐蚀影响。与此同时，氧化镁的存在还会使钢表面形成一层致密的氧化膜，使其表面温度降低，导致钢坯在加热过程中极易出现裂纹。钒、钛、铬等元素本身具有相对较强的腐蚀性，在冶炼过程中极易与耐火材料和设备发生化学反应，加快腐蚀问题发生速率。在全面掌握原燃料对耐火材料和设备出现腐蚀问题作用机理和过程的基础上，可以通过严格控制原燃料中腐蚀元素含量的方式，降低其中各种腐蚀元素对耐火材料和设备造成的腐蚀影响，保证其低于工业生产规范标准，使其被控制在规定范围内，从根本上杜绝各种杂质进入耐火设备和材料，使该腐蚀问题从源头上得到有效控制。在冶炼过程和生产过程中，科学处理含铁杂质较高的原燃料，并加强对耐火材料和设备的管理，提升其质量，延长其使用寿命。

3 耐火材料和设备在特殊原、燃料下的腐蚀问题

3.1 二氧化硫的产生与处理

在现代化工业生产活动中，在耐火材料与设备的生产过程中，受其所处环境条件的影响，通常会产生大量的二氧化硫气体，当生产系统内部温度较高时，二氧化硫在高温环境的作用下会与耐火材料和设备发生反应，产生三氧化二硫等酸性物质，从而在维持生产系统温度不变的情况下，促使这些酸性物质对耐火材料和设备产生腐蚀效果，出现较严重的腐蚀问题。以冶炼生产环节为例，将高硫煤矸石作为生产原燃料，由于其硫酸盐含量相对较高，在生产过程中会与焦炭发挥化学反应，产 ※※生大量二氧化硫气体，导致含硫较高的煤矸石在生产过程中使耐火材料和设备发生严重的腐蚀问题。

3.2 炼铝时二氧化硫的影响

由于炼铝过程中通常会选用煤矸石作为主要的原燃料，这些煤矸石中本身含有大量的二氧化硫，受生产过程高温条件的影响，促使铝与煤矸石中的二氧化硫发生化学反应，产生氢气与三氧化硫。在同样的高温环境下，化学反应并未就此停止，铝与二氧化硫产生的氢气还会在高温环境下与氧化硫发生化学反应，生成硫酸铝，继而与炉渣中的氢氧化钠等碱性物质发生酸碱中和反应，使滤渣中氧化钠的含量不断增加。受氧化钠的影响，导致熔炼炉的使用期限进一步缩短。针对二氧化硫在炼铝过程中对熔炼炉这种耐火设备间接造成的腐蚀影响，在炼铝过程中，技术人员要结合生产实际，对生产过程中二氧化硫的含量进行科学控制，使其中硫氧化物的含量尽可能降低，减少原燃料对耐火材料和设备造成的腐蚀性影响。

3.3 高硫煤矸石的腐蚀问题

在工业生产中原燃料的选择与使用中，将高硫煤矸石作为主要材料，受其含硫量较高的影响，在冶炼过程中会有大量二氧化硫气体产生，在其排出生产系统前，在高温环境的作用下与煤矸石中的氧化钙发生化学反应生成硫酸钙，这种化学产物继而与耐火材料和设备中的氧化铝与氧化硅等成分发生化学反应，产生硫酸铝氢氧化物，受该碱性物质强腐蚀性的影响，严重侵蚀耐火材料和设备。在某钢厂高炉炼铁过程中，在其原燃料中选用高硫煤矸石，对其含硫量与耐火材料和设备腐蚀问题严重程度的关系进行探究可以发现，随着煤矸石含硫量的升高，生产过程对耐火材料和设备产生的腐蚀问题越严重。当煤矸石含硫量控制在0.8%以下时，不会对耐火材料和设备产生腐蚀影响；当煤矸石含硫量不超过1.5%时，会对耐火材料和设备造成一定程度的腐蚀，但相对不会特别严重；当煤矸石含硫量超过1.5%时，就会严重腐蚀耐火材料和设备。