鉻剛玉的典型特征、性能以及在耐火材料中的應(yīng)用

剛玉質(zhì)耐火材料種類繁多，傳統(tǒng)的剛玉質(zhì)耐火原料有白剛玉、板狀剛玉、亞白剛玉、致密剛玉、棕剛玉和鉻剛玉等。上述五種剛玉的典型技術(shù)特征如表1所示。

1、剛玉類耐火材料的典型特征

其中白剛玉是以工業(yè)氧化鋁或煅燒氧化鋁為原料熔融、冷卻而得的產(chǎn)品，因原料本身的特性導(dǎo)致白剛玉的氣孔率較高，且包含較多的封閉氣孔;致密剛玉以工業(yè)氧化鋁為原料，加入一些外加劑在電弧爐中熔煉而成，其特點(diǎn)是致密度較高;棕剛玉是以高鋁礬土輕燒料為原料，添加少量碳和鐵屑于電弧爐中熔煉而成;亞白剛玉一般又稱為礬土基電熔剛玉，它是以一級或特級礬土為原料，加入還原劑等經(jīng)高溫熔煉而成，上述四種剛玉均以電熔法制得。除此之外，還有燒結(jié)法制得剛玉原料，如板狀剛玉。燒結(jié)剛玉是以工業(yè)氧化鋁為原料，經(jīng)高溫煅燒制得的低氣孔率氧化鋁。

表1常見剛玉原料的典型特征

除上述以Al2O3為主要組成獲得的剛玉原料外，因Cr2O3和Al2O3具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，兩者可以形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鋁鉻固溶體，一般稱之為鉻剛玉。

鉻剛玉根據(jù)所含氧化鉻含量的不同分為三類：寶石級、磨料級和耐火級鉻剛玉。其中寶石級鉻剛玉和磨料級鉻剛玉不應(yīng)用于耐火材料領(lǐng)域鉻剛玉，耐火級鉻剛玉為耐火材料領(lǐng)域高性能耐火原料，其Cr2O3含量的分布比較寬泛，一般為3~70wt.%，但根據(jù)實際應(yīng)用需求會相應(yīng)擴(kuò)展，以便取得預(yù)期的服役效果。上述三種鉻剛玉的性能如表2所示。

表2鉻剛玉的典型特征

2、鉻剛玉的性能

鉻剛玉的主要成分為Al2O3和Cr2O3，兩者形成連續(xù)型固溶體鉻剛玉，根據(jù)Al2O3-Cr2O3二元相圖，向Al2O3單相材料中添加Cr2O3，不但沒有降低材料的耐火度，反而耐火度隨著Cr2O3含量的提高而升高。

在剛玉材料中添加Cr2O3，隨著溫度的升高，Al2O3和Cr2O3逐漸形成固溶體，使剛玉顆粒和基質(zhì)緊密結(jié)合，進(jìn)一步在剛玉顆粒表面形成環(huán)狀的固溶帶，使材料在高溫下顆粒和顆粒之間，顆粒和細(xì)粉之間緊密結(jié)合，且結(jié)合相為鋁鉻固溶體相，熔點(diǎn)較高，即使在高溫下依然保持結(jié)合強(qiáng)度，故鉻剛玉質(zhì)耐火材料均具有較強(qiáng)的常溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能。

Cr2O3是耐火材料優(yōu)質(zhì)組分，可以與多種氧化物形成高熔點(diǎn)化合物。例如，Cr2O3與Al2O3可形成連續(xù)型固溶體，此固溶體的熔點(diǎn)2050℃以上;Cr2O3和MgO/FeO形成高熔點(diǎn)的鎂鉻尖晶石/鉻鐵尖晶石;Cr2O3與Cu2O可形成熔點(diǎn)在1600℃以上的化合物;Cr2O3與SiO2形成的低共熔物的熔化溫度達(dá)1720℃;等。

此外Cr2O3還能提高熔渣的粘度，熔渣粘度的提高可減緩熔渣向耐火材料的滲入速度。綜上，Cr2O3可提高耐火材料抗熔渣侵蝕性能和剝落性能。

3、鉻剛玉在耐火材料中的應(yīng)用

鉻剛玉因其特有的優(yōu)良性能，廣泛服役于環(huán)境比較苛刻的高溫領(lǐng)域，包括有色冶金窯爐、玻璃熔窯、炭黑反應(yīng)爐、垃圾焚燒爐等。鉻剛玉發(fā)展之初，應(yīng)用更為廣泛，在水泥及鋼鐵冶金領(lǐng)域也多有涉及，但因人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，高溫工業(yè)無鉻化的呼聲越來越高，很多領(lǐng)域已經(jīng)研發(fā)了替代產(chǎn)品，但是在一些服役環(huán)境較為惡劣的部位，依然存在著鉻剛玉的身影。

含鉻耐火材料由于其特有的性能，在有色冶金工業(yè)窯爐中使用效果良好，雖然現(xiàn)在很多學(xué)者在研究有色冶金領(lǐng)域用耐火材料的無鉻化，但是至今為止，有色冶金領(lǐng)域使用含鉻耐火材料作為冶煉爐襯仍是主流。例如：澳斯麥特銅熔煉爐用耐火材料不僅要經(jīng)受熔體(SiO2/FeO系熔渣、銅液、銅锍)的沖刷和氣相的侵蝕，還要克服由于噴槍的定期更換而產(chǎn)生的溫度波動，服役環(huán)境惡劣，現(xiàn)階段除含鉻耐火材料外，尚未有性能更好的材料可替代。此外，在鋅揮發(fā)窯、銅轉(zhuǎn)爐、煤氣化爐和炭黑反應(yīng)爐等同樣面臨相同處境。

鋁鉻系耐火材料抗玻璃液侵蝕能力優(yōu)于常規(guī)剛玉系或鋁硅系耐火材料。故在受嚴(yán)重侵蝕的蓄熱室小爐及靶墻部位、熔池部位等關(guān)鍵區(qū)域常應(yīng)用鋁鉻系耐火材料作為內(nèi)襯材料。

鋁鉻系耐火材料也常用于炭黑反應(yīng)爐，包括：燃燒段、喉管段、反應(yīng)段等。鋁鉻系耐火材料服役于炭黑反應(yīng)爐超高溫(1900℃)區(qū)域、還原性氣體(C、CO、H2)及灰分的化學(xué)侵蝕區(qū)域和頻繁溫度波動區(qū)域等。故要求炭黑反應(yīng)爐用鋁鉻系耐火材料應(yīng)具備如下特點(diǎn)：

1)高的耐火度、較高的荷重軟化溫度及較低的高溫蠕變率;

2)強(qiáng)還原氣氛下的穩(wěn)定性;

3)較強(qiáng)的抗熔灰侵蝕性;

4)較高的高溫強(qiáng)度及抗沖刷性能;

5)良好的抗熱震穩(wěn)定性。

垃圾熔融焚燒爐(灰熔爐)爐襯用耐火材料中，一般含有氧化鉻的耐火材料表現(xiàn)出良好的耐侵蝕性能;當(dāng)燃燒溫度高于1250℃時，采用鉻剛玉制品。垃圾熔融焚燒爐一般為氧化氣氛，故不能使用抗氧化能力較差的C-SiC磚和SiC磚，而優(yōu)選使用Al2O3-Cr2O3材料和MgO-Cr2O3材料。一般情況下，Al2O3-Cr2O3材料隨堿度的提高，侵蝕速率增加，故主要用于堿度相對較低的熔融爐。

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