試析使用特殊原、燃料對耐火材料與設(shè)備的腐蝕問題

張建武

（甘肅酒鋼集團科力耐火材料股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

在現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展的時代背景下，生產(chǎn)中的耐火材料與設(shè)備離不開對原、燃料的應(yīng)用，隨著特殊原、燃料種類不斷增多，其中硫、磷、氯、氧等元素的含量不斷增加，在其影響下對耐火材料與設(shè)備的腐蝕問題日趨嚴重。對此，為促使耐火材料與設(shè)備具有較強的耐腐蝕性，要對其腐蝕機理與特征進行深入分析。

1 特殊原、燃料中的腐蝕元素及其循環(huán)特性

1.1 腐蝕元素來源

在耐火材料與設(shè)備的生產(chǎn)活動開展期間，為進一步提升其耐蝕性，避免其出現(xiàn)腐蝕問題，通常會在原燃料中加入一些特殊元素，使其與耐火材料發(fā)生化學反應(yīng)，導致耐火材料與設(shè)備的腐蝕問題更嚴重，這種現(xiàn)象在煉鋼和煉鐵過程中尤為常見。在煉鋼中加入鐵或鎂，在煉鐵時加入鉻、鈦、釩等元素，這些特殊元素在原燃料中的含量提高，使耐火材料與設(shè)備的腐蝕速率加快。在通常情況下，為提升耐火設(shè)備與材料的使用效果，加快生產(chǎn)速率，通常會直接使用已有的原燃料，其中存在的大量雜質(zhì)不僅會導致耐火材料和設(shè)備的抗腐蝕性大大降低，進而引發(fā)耐火材料與設(shè)備出現(xiàn)損壞問題，還會對其產(chǎn)生腐蝕，影響其生產(chǎn)質(zhì)量與使用效果。

以鋼鐵冶煉為例，在部分高爐原燃料資源相對匱乏的地區(qū)，其燃料來源全部依賴外購，但為部分生產(chǎn)企業(yè)為降低鋼鐵冶煉的生產(chǎn)成本，通常會選擇價格較低的礦石，這種礦石具有來源復雜、入爐礦石品位低、有害元素含量高等特點，其中，當其硫、磷、砷、氟、氯、鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素含量較高時，就會對該鋼鐵冶煉中的耐火材料和設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用。如果忽略對其鋼鐵冶煉原燃料中腐蝕元素含量的控制，不僅會使鋼鐵冶煉的原燃料質(zhì)量大大降低，導致其在冶煉過程中增加渣量和熔劑用量，還會使煉鋼爐外的工作負荷進一步增加。如果在耐火材料和設(shè)備生產(chǎn)過程中忽略對廢料的控制與和處理，隨著鈉、鉀、鋅、鉛等有害元素在耐火材料與設(shè)備中的循環(huán)富集、膨脹和滲透，當系統(tǒng)中氯、硫、鈉、鉀等腐蝕元素的含量超過目標值控制要求時，就會在一定程度上影響生產(chǎn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的同時，嚴重腐蝕生產(chǎn)系統(tǒng)中與其發(fā)生直接接觸的耐火材料與設(shè)備，導致其生產(chǎn)指標和使用壽命受到影響。

1.2 原燃料的特性

在耐火材料與設(shè)備生產(chǎn)過程中形成的黏土、礦渣、粉煤灰、脫硫灰等物質(zhì)均屬于原燃料，在其使用過程中，其使用種類和數(shù)量取決于原料中含有害雜質(zhì)的多少和生產(chǎn)系統(tǒng)所需產(chǎn)量的實際大小，結(jié)合生產(chǎn)系統(tǒng)對其實際用量的需求，選擇不同品質(zhì)的原燃料種類。以產(chǎn)品用途為依據(jù)對所需原燃料種類進行確定，這點從用于生產(chǎn)鋼鐵等金屬材料的原燃料不能用于耐火材料與設(shè)備的生產(chǎn)，用于生產(chǎn)水泥的原燃料不能用于生產(chǎn)玻璃的原料等方面均可看出。如果原燃料中含有硫、磷等有害雜質(zhì)或二氧化硫等有毒物質(zhì)，在其使用過程中要以產(chǎn)品用途和性質(zhì)為重要依據(jù)，對其使用條件做出準確判斷。在高溫工作環(huán)境下使用原燃料，要對其在該環(huán)境條件下的穩(wěn)定性進行充分考慮，結(jié)合高溫環(huán)境的具體條件，對其耐高溫性能是否符合要求進行科學判斷。

1.3 腐蝕元素特性

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，通常選擇鐵、鎂、鉻、釩和硅等元素作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)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況，都會導致其中的氯、硫、堿含量過高，當耐火材料和設(shè)備在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)腐蝕元素濃度不平衡的現(xiàn)象時，就會在熱生產(chǎn)環(huán)節(jié)積聚大量的硫酸鉀、氯化鈉、氯化鉀等鹽類化合物，由于這些化合物不會隨著生產(chǎn)產(chǎn)品共同從系統(tǒng)中排出，而是隨著生產(chǎn)活動的開展在耐火襯里的表面逐漸累積和沉淀，在一定情況下，還會向其內(nèi)部逐漸滲透。根據(jù)氯、硫、堿等化合物的揮發(fā)溫度和熔融溫度可以發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)生產(chǎn)中，其沸點與熔點均處于耐火材料與設(shè)備生產(chǎn)環(huán)境溫度范圍內(nèi)，對生產(chǎn)系統(tǒng)的耐火材料與設(shè)備和其他不同部位產(chǎn)生影響。

在鋼鐵冶煉中，高爐作為生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的耐火材料和設(shè)備，生產(chǎn)過程中煤粉、焦炭、礦石雜質(zhì)等原燃料中的硫化物是硫元素進入生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生腐蝕作用的關(guān)鍵來源，在一般情況下，鋼鐵冶煉系統(tǒng)中硫元素含量大部分來自煤粉和焦炭，隨著其原燃料硫含量的增加，鋼鐵冶煉期間鐵水中硫元素的含量也會增多，導致生產(chǎn)產(chǎn)品極易產(chǎn)生熱脆性，進而使其強度大幅下降。球團礦、燒結(jié)礦、煤粉和焦炭的灰分是鈉、鉀等堿金屬元素腐蝕鋼鐵冶煉系統(tǒng)耐火材料和設(shè)備的主要來源。由于堿金屬對高爐具有顯著的危害作用，同時又可以催化焦炭溶損反應(yīng)，達到降解焦炭的效果。堿金屬元素在鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)中的存在可以使礦石軟化溫度進一步降低，使燒結(jié)礦還原粉化和球團礦異常膨脹粉化現(xiàn)象更嚴重。當鈉、鉀等金屬元素在耐火設(shè)備內(nèi)部循環(huán)富集時，其與氧氣反應(yīng)生成的氧化物會與耐火設(shè)備內(nèi)襯中的氧化硅和氧化鋁發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生硅酸鹽低熔物，使耐火材料體積出現(xiàn)膨脹，對生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率造成影響。與此同時，鈉和鉀的氧化物還可以作為析碳反應(yīng)的催化劑，對耐火材料和設(shè)備產(chǎn)生更嚴重的腐蝕效果，加快其腐蝕速率。

2 耐火材料和設(shè)備在特殊原、燃料下的腐蝕機理

2.1 耐火材料類型

按照耐火材料組分，可以將耐火材料分為不同類型。由于部分耐火材料特殊的化學性質(zhì)，極易與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應(yīng)，使其成分發(fā)生變化，在一定程度上削弱其對耐火材料和設(shè)備的腐蝕作用。對此，鎂、鋁、硅、鉻、鈣等元素的氧化物可以作為鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)中良好的耐火材料和設(shè)備原料。按照其元素將其分為以氧化鎂、氧化鉻為主要成分的鎂鉻類耐火材料；以氧化鎂、氧化鋁為主要成分的鎂鋁類耐火材料；以氧化硅、氧化鋁為主要成分的硅鋁類耐火材料三種類型。在生產(chǎn)系統(tǒng)使用過程中，可以生產(chǎn)大量可直接使用且具有耐火性的鎂鉻磚。這種耐火磚在實際使用中通常具有較強的耐高溫性能，可以對二氧化硅的侵蝕和氧化還原產(chǎn)生有效的抵抗作用。但這種耐火材料的剩余材料和廢棄物會對自然生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染，在當前許多工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對發(fā)達的國家，已經(jīng)停止了鎂鉻類耐火材料的生產(chǎn)和使用。

以鎂鋁尖晶磚石為代表的鎂鋁類耐火材料具有較強的耐火性特征，且其對熟料液和硫、堿熔融物的侵蝕具有一定抗性，同時具備抗耐火材料變形和抗熱震的機械應(yīng)力和抗熱負荷等性能優(yōu)勢。相比鎂鉻磚，鎂鋁尖晶磚石在實際運用中具有更優(yōu)良的使用性能，不僅作為鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)主要耐火設(shè)備中的耐火材料在部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有較高的應(yīng)用價值，也是現(xiàn)代社會堿性磚工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的重要產(chǎn)物之一。在硅鋁類耐火材料中，為確保其具有較強的抗堿侵蝕性能，通常會嚴格控制氧化鋁在耐堿轉(zhuǎn)中的質(zhì)量分數(shù)。在保證耐堿磚中氧化鋁的質(zhì)量分數(shù)為30%，且荷重軟化溫度為1300℃左右時，將其在耐火設(shè)備侵蝕問題相對嚴重的部位。通過對抗剝落耐鋁磚、磷酸鹽結(jié)合高鋁質(zhì)耐磨磚、磷酸鹽結(jié)合高鋁磚等系列特種高鋁磚的開發(fā)，以及新型滲透碳化硅高鋁質(zhì)磚的出現(xiàn)，滿足生產(chǎn)系統(tǒng)中不同工況和部位對耐火、耐堿、耐磨等需求。

2.2 腐蝕元素侵蝕機理

耐火材料和設(shè)備的腐蝕大致可以分為化學侵蝕、機械應(yīng)力和熱應(yīng)力三種類型，原燃料對其造成的腐蝕影響通常以化學侵蝕為主。受生產(chǎn)過程高溫環(huán)境的影響，活性金屬元素和原燃料中的各種雜質(zhì)等化學成分會與耐火材料和設(shè)備發(fā)生化學反應(yīng)進而造成腐蝕問題，且這種化學侵蝕的發(fā)生伴隨著生產(chǎn)活動開展和耐火材料和設(shè)備完整的使用壽命。以鋼鐵冶煉過程為例，鐵作為該工業(yè)活動開展中的主要成分，也是當前冶煉過程中應(yīng)用最廣泛的原料之一，這種材料在鋼水中的溶解度不高，但在空氣中具有較高的溶解度?；谄湓诓煌h(huán)境下的溶解度差異，當爐渣中有鋼水進入時會產(chǎn)生流動，爐渣中的鐵元素會被帶入鋼水中，產(chǎn)生一部分鐵水。由于鐵水表面具有較強的氧化性，當耐火材料和設(shè)備與鐵水相互接觸時會迅速發(fā)生化學反應(yīng)，生成氧化鐵?；谀突鸩牧虾驮O(shè)備耐腐蝕性強的特征，雖然氧化鐵不會對其直接造成腐蝕，但當其表面存在氧化物時，使其耐腐蝕性受到影響，極易在后續(xù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)腐蝕問題，使其強度和使用壽命大大降低。

在常溫環(huán)境下，鎂通常作為一種惰性元素存在，不會在化學反應(yīng)中直接參與。在煉鋼過程中，為提升生產(chǎn)效率，部分生產(chǎn)廠家會將鎂作為助熔劑和脫氧劑使其參與生產(chǎn)過程。當其溫度條件發(fā)生變化時。鎂在高溫環(huán)境下會與水蒸氣、氧氣發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生氧化鎂，在鋼中以結(jié)合氧化鎂和游離氧化鎂的形式存在，在高溫條件下繼續(xù)與水蒸氣、氧氣發(fā)生化學反應(yīng)，對耐火材料和設(shè)備造成腐蝕影響。與此同時，氧化鎂的存在還會使鋼表面形成一層致密的氧化膜，使其表面溫度降低，導致鋼坯在加熱過程中極易出現(xiàn)裂紋。釩、鈦、鉻等元素本身具有相對較強的腐蝕性，在冶煉過程中極易與耐火材料和設(shè)備發(fā)生化學反應(yīng)，加快腐蝕問題發(fā)生速率。在全面掌握原燃料對耐火材料和設(shè)備出現(xiàn)腐蝕問題作用機理和過程的基礎(chǔ)上，可以通過嚴格控制原燃料中腐蝕元素含量的方式，降低其中各種腐蝕元素對耐火材料和設(shè)備造成的腐蝕影響，保證其低于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)范標準，使其被控制在規(guī)定范圍內(nèi)，從根本上杜絕各種雜質(zhì)進入耐火設(shè)備和材料，使該腐蝕問題從源頭上得到有效控制。在冶煉過程和生產(chǎn)過程中，科學處理含鐵雜質(zhì)較高的原燃料，并加強對耐火材料和設(shè)備的管理，提升其質(zhì)量，延長其使用壽命。

3 耐火材料和設(shè)備在特殊原、燃料下的腐蝕問題

3.1 二氧化硫的產(chǎn)生與處理

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)活動中，在耐火材料與設(shè)備的生產(chǎn)過程中，受其所處環(huán)境條件的影響，通常會產(chǎn)生大量的二氧化硫氣體，當生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部溫度較高時，二氧化硫在高溫環(huán)境的作用下會與耐火材料和設(shè)備發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生三氧化二硫等酸性物質(zhì)，從而在維持生產(chǎn)系統(tǒng)溫度不變的情況下，促使這些酸性物質(zhì)對耐火材料和設(shè)備產(chǎn)生腐蝕效果，出現(xiàn)較嚴重的腐蝕問題。以冶煉生產(chǎn)環(huán)節(jié)為例，將高硫煤矸石作為生產(chǎn)原燃料，由于其硫酸鹽含量相對較高，在生產(chǎn)過程中會與焦炭發(fā)揮化學反應(yīng)，產(chǎn) ※※生大量二氧化硫氣體，導致含硫較高的煤矸石在生產(chǎn)過程中使耐火材料和設(shè)備發(fā)生嚴重的腐蝕問題。

3.2 煉鋁時二氧化硫的影響

由于煉鋁過程中通常會選用煤矸石作為主要的原燃料，這些煤矸石中本身含有大量的二氧化硫，受生產(chǎn)過程高溫條件的影響，促使鋁與煤矸石中的二氧化硫發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣與三氧化硫。在同樣的高溫環(huán)境下，化學反應(yīng)并未就此停止，鋁與二氧化硫產(chǎn)生的氫氣還會在高溫環(huán)境下與氧化硫發(fā)生化學反應(yīng)，生成硫酸鋁，繼而與爐渣中的氫氧化鈉等堿性物質(zhì)發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，使濾渣中氧化鈉的含量不斷增加。受氧化鈉的影響，導致熔煉爐的使用期限進一步縮短。針對二氧化硫在煉鋁過程中對熔煉爐這種耐火設(shè)備間接造成的腐蝕影響，在煉鋁過程中，技術(shù)人員要結(jié)合生產(chǎn)實際，對生產(chǎn)過程中二氧化硫的含量進行科學控制，使其中硫氧化物的含量盡可能降低，減少原燃料對耐火材料和設(shè)備造成的腐蝕性影響。

3.3 高硫煤矸石的腐蝕問題

在工業(yè)生產(chǎn)中原燃料的選擇與使用中，將高硫煤矸石作為主要材料，受其含硫量較高的影響，在冶煉過程中會有大量二氧化硫氣體產(chǎn)生，在其排出生產(chǎn)系統(tǒng)前，在高溫環(huán)境的作用下與煤矸石中的氧化鈣發(fā)生化學反應(yīng)生成硫酸鈣，這種化學產(chǎn)物繼而與耐火材料和設(shè)備中的氧化鋁與氧化硅等成分發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生硫酸鋁氫氧化物，受該堿性物質(zhì)強腐蝕性的影響，嚴重侵蝕耐火材料和設(shè)備。在某鋼廠高爐煉鐵過程中，在其原燃料中選用高硫煤矸石，對其含硫量與耐火材料和設(shè)備腐蝕問題嚴重程度的關(guān)系進行探究可以發(fā)現(xiàn)，隨著煤矸石含硫量的升高，生產(chǎn)過程對耐火材料和設(shè)備產(chǎn)生的腐蝕問題越嚴重。當煤矸石含硫量控制在0.8%以下時，不會對耐火材料和設(shè)備產(chǎn)生腐蝕影響；當煤矸石含硫量不超過1.5%時，會對耐火材料和設(shè)備造成一定程度的腐蝕，但相對不會特別嚴重；當煤矸石含硫量超過1.5%時，就會嚴重腐蝕耐火材料和設(shè)備。

4 結(jié)語

綜上所述，在社會高速發(fā)展的過程中，用于生產(chǎn)活動的原、燃料種類不斷增多，為減少部分特殊原、燃料對耐火材料和設(shè)備造成的腐蝕問題，要綜合生產(chǎn)理論和技術(shù)實踐，正確認識壓力、溫度、濕度等因素的影響，探究不同原、燃料對耐火材料和設(shè)備的腐蝕規(guī)律，對原、燃料類型進行科學選擇，解決腐蝕問題。