第20期
耐火材料的变迁与今后的发展方向—“自修复”耐火材料
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期号 : 2011 年, 第20期
内容简介

    回顾耐火材料的发展历程,通常按耐火材料组成的变化分为几个发展阶段,以Al2O3和SiO2为主要成分的黏土质和高铝质耐火材料、以MgO和CaO为主要成分的镁质和莫来石质耐火材料、在Al2O3-SiO2系中添加ZrO2的电熔砖、在镁质材料中添加Cr2O3的镁铬材料以及上世纪八十年代快速发展的含碳耐火材料。八十年代以后,以新成分为开发主体的耐火材料没有突破性发展。日本冈山陶瓷研究所的山口明良教授指出:未来耐火材料的发展方向在于“自修复功能”耐火材料的开发。
    “自修复功能”耐火材料是山口教授以“探明损毁机理、寻求损毁对策”的观点,回顾耐火材料发展历程所得到的启示。山口教授认为硅砖、直接接合镁铬砖是为了强化颗粒间结合而开发的;铬质材料是为了提高抗渣侵蚀性而开发的;电熔砖是为了提高材料的致密性而开发的;含碳耐火材料是为了提高材料的抗渣侵润性、使材料表面形成保护层而开发的。而“自修复功能”耐火材料是指在含碳耐火材料中添加金属、合金、碳化物等添加物,促进耐火材料自身机能的修复。耐火材料自身机能可从以下四个方面考虑: 
1.CO(g)还原成C(s)
    材料中添加金属、合金、碳化物作为防氧化剂,其化学反应分子式为:
xM(s、l)+yCO(g)=MxOy(s、l)+yC(s)               (1)
xMC(s、l)+yCO(g)=MxOy(s、l)+(x+y)C(s)          (2)
    从反应式中可以看出,金属、碳化物将CO(g)还原成C(s) ,通过氧化反应抑制碳减少。相对金属而言,添加剂为碳化物,不单是从CO(g)中还原出碳,还可将其自身构成的碳以游离碳的形式析出。而且,碳化物熔点高,还具有从颗粒表面开始依次变为碳的优点。
2.减少气孔率
    从反应式中可以看出,金属、碳化物与CO(g)反应,最终生成氧化物和游离碳,体积增加,增加部分被气孔吸收,可减少气孔,使材料致密化,提高其抗侵蚀性和抗氧化性。但是,如果添加剂的粒径和添加量不合适,可能导致局部或整体体积膨胀,造成龟裂。因此,必需结合耐火材料的使用条件,确定添加剂的种类、添加量、粒径等。
3.增强高温强度
    添加剂经反应变化为氧化物,生成物多为晶须状和板状,也就是说添加剂与骨料氧化物反应生成了新的矿物质,通过这些变化可增强高温强度。
4.表面保护层的形成
    在MgO-C耐火材料中添加Al-Mg合金,与含FeO的渣反应时,可在材料表面形成致密的MgO保护层,Al2O3-C-SiC系耐火材料添加防止SiC氧化的添加剂,生成的SiO2与渣反应,可形成黏度较高的溶液,形成保护层。可见,添加合适的添加剂,可在耐火材料表面形成有效的保护层,保护层是由难溶于渣的化合物或高黏度液相构成,可提高耐火材料的抗侵蚀性。
    针对促进上述机能进行研发,可以使耐火材料通过添加适当的添加剂,利用自身反应提高性能,具备自我修复的功能。(编译自《含碳耐火物》)

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