耐火材料在玻璃池窯中蝕變的影響因素

在玻璃熔制過程中，耐火材料和玻璃液在高溫下相互作用，使耐火材料遭受侵蝕損壞，甚至對玻璃液也會造成缺陷。在池窯中配合料組分對耐火材料的侵蝕作用較玻璃液的作用大得多。芒硝配合料較純堿配合料的侵蝕作用更強(qiáng)。通常熔融純堿的侵蝕作用僅局限于加料口附近，而芒硝幾乎可侵蝕到全部池壁。含有硼酸、磷酸、氟、氯、鉛、鋇等化合物和含堿量高的配合料，其玻璃液對耐火材料有特別強(qiáng)烈的侵蝕作用。池窯內(nèi)火焰空間的窯碹、胸墻、小爐以及蓄熱室等結(jié)構(gòu)，雖然不與玻璃液直接接觸，但也受到配合料粉塵和玻璃液面揮發(fā)物不同程度的侵蝕作用。玻璃液對耐火材料的侵蝕強(qiáng)度主要取決于玻璃液的黏度和表面張力等物理性質(zhì)，至于在受侵蝕過程中的化學(xué)反應(yīng)只有從屬的作用。黏度低和表面張力小的熔融玻璃最容易浸潤耐火材料，它能沿耐火材料表面的毛細(xì)管系統(tǒng)而侵人耐火材料中。含堿較多的玻璃其黏度較低，硼硅酸鹽玻璃表面張力小，它們對耐火材料的侵蝕也就很強(qiáng)烈。配合料在加熱過程中，開始生成最易熔的多酸化合物，流散在玻璃液面上。然后，這些熔體逐漸與比較難熔的組分相互溶解，因此在池窯熔化帶的耐火材料受到多堿硅酸鹽的侵蝕作用。特別是在熔制芒硝配合料玻璃時(shí)，浮在玻璃液面上的熔融硝水直接與耐火材料作用。硫酸鈉在885℃熔融，參與玻璃形成反應(yīng)，直到約1440℃反應(yīng)才完全。硝水、堿液和多堿硅酸鹽易被吸人耐火材料表面的毛細(xì)孔中，使耐火材料受到強(qiáng)烈的侵蝕。池窯用耐火材料在受到物理和化學(xué)侵蝕時(shí)，侵蝕速度是溫度的函數(shù)。侵蝕速度隨溫度升高而呈對數(shù)關(guān)系遞增。升高熔制溫度，就降低了熔融玻璃的黏度，也就加速了對耐火材料的侵蝕，從而大大縮短了耐火材料的使用壽命。在池窯中每升高熔化溫度50?60℃，將使耐火材料的壽命縮短約1/2。而在坩堝窯中，只要熔化溫度升高20?40℃時(shí)，坩堝的使用壽命就會縮短1/2。耐火材料的抗物理和化學(xué)侵蝕能力，主要由其組成相的種類及其分布與結(jié)合狀態(tài)來決定。一般耐火材料由一個(gè)或多個(gè)晶相、玻璃相及氣相(氣孔)組成。玻璃相較晶體的化學(xué)穩(wěn)定性差，氣孔是侵蝕劑滲入耐火材料內(nèi)部的通道(尤其是開口氣孔)。玻璃液或配合料的組分滲入耐火材料氣孔的深度，與氣孔直徑的4次方成正比。侵蝕物首先作用于耐火材料中的玻璃相，彼此相互反應(yīng)。溶液滲人耐火材料內(nèi)并溶解玻璃相后，耐火材料中的晶體就會受到玻璃液流的侵蝕，并有可能不斷出現(xiàn)繼續(xù)受侵蝕的新的部分。氣孔和玻璃相大部分存在于燒結(jié)耐火材料的結(jié)合物中，因此結(jié)合物成為耐火材料抗物理和化學(xué)侵蝕的薄弱環(huán)節(jié)。耐火材料受侵蝕所形成的熔融物黏度越大，材質(zhì)越致密，開口氣孔越少，所受侵蝕的程度將越小。由于耐火材料被溶解而使玻璃液黏度提高，就能在耐火材料表面形成一層很少移動(dòng)的保護(hù)膜，從而使侵蝕減弱。要獲得抗侵蝕性良好的耐火材料，除需要有穩(wěn)定的晶相、軟化溫度高、熔體黏度大、玻璃相少及氣孔率低以外，還要求晶相的晶型細(xì)小，而且均勻分布在玻璃相中，組織結(jié)構(gòu)均勻，結(jié)合緊密，這樣即可使玻璃相得到增強(qiáng)。耐火材料表面不平整，有縫隙和裂紋都會使侵蝕加深，特別是橫縫受侵蝕更嚴(yán)重。砌體越致密，縫隙越微細(xì)，則玻璃液對池壁磚的侵蝕作用越小。玻璃液對流和玻璃液面的不穩(wěn)定，能加劇對耐火材料的侵蝕。這主要是由于液流會加速玻璃液與耐火材料間相互的物理和化學(xué)作用。但玻璃液與耐火材料間的摩擦力非常小，因此受機(jī)械磨損的作用則是較輕的。在侵蝕進(jìn)行過程中耐火材料被溶解，而在表面形成一層薄膜，當(dāng)受到玻璃液流沖刷時(shí)，原來很少活動(dòng)的這層保護(hù)膜就移動(dòng)了，使耐火材料裸露出新的表面部分，這就為進(jìn)一步遭受侵蝕提供了有利條件。當(dāng)黏土質(zhì)池壁磚受到鈉-鈣硅酸鹽玻璃侵蝕時(shí)，玻璃表面受到的破壞較液面下不太深處快得多，容易形成深溝。玻璃液面的波動(dòng)會加強(qiáng)對已受破壞的耐火材料層的沖刷作用。當(dāng)玻璃液面下降后，已軟化的一層薄膜不能再保持在耐火材料的內(nèi)表面上，而玻璃液面重新上升時(shí)，剝落的薄膜不能回復(fù)原位，就被液流帶走。新的一層耐火材料又暴露出來，重新受到上升玻璃液的進(jìn)一步侵蝕而加速破壞。有時(shí)由于耐火材料被溶解而生成的高黏度玻璃液層被剝落，來不及擴(kuò)散均化，會使玻璃產(chǎn)生條紋。由于玻璃液的溫差，池壁附近的玻璃液流向下運(yùn)動(dòng)，而池壁耐火材料受侵蝕溶解會使玻璃液的密度發(fā)生變化，將影響池壁附近液流的速度，并加強(qiáng)侵蝕。池壁的通風(fēng)冷卻，有助于減輕侵蝕，但只有當(dāng)池壁磚的厚度不大時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)。有時(shí)還可增強(qiáng)池壁處玻璃液的對流循環(huán)，反而會加強(qiáng)對耐火材料的侵蝕。池窯中的溫度波動(dòng)將引起耐火材料-玻璃液系統(tǒng)平衡的破壞。如溫度升高時(shí)，使覆蓋池壁磚表面的保護(hù)膜的黏度降低，易被玻璃液流沖刷帶走，也會加速它的侵蝕破壞?，F(xiàn)代池窯多采用輔助電熔和鼓泡澄清工藝，以提高熔化率。但也加強(qiáng)了玻璃液的對流，升高了深層玻璃液的溫度，這也加強(qiáng)了對耐火材料的侵蝕作用。當(dāng)向池窯內(nèi)加入配合料時(shí)，料粉容易被窯內(nèi)流動(dòng)的氣體所帶走，粉塵中含堿量很多，往往沉積在池壁磚的上表面，生成釉料，并沿磚的表面流下，使磚面形成深溝，甚至?xí)傻蔚芈湓诓Ａб褐?，使玻璃液產(chǎn)生條紋等缺陷。池窯上部結(jié)構(gòu)經(jīng)常受到配合料粉塵和揮發(fā)物的侵蝕。但粉塵與耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其生成物多留在耐火材料表面，形成一層薄膜，它具有保護(hù)作用，可防止配合料粉塵對耐火材料的進(jìn)一步侵蝕。配合料和玻璃液的揮發(fā)物也對耐火材料進(jìn)行化學(xué)侵蝕，揮發(fā)成分主要是堿金屬氧化物和硼化合物，還有氟化物、氯化物和硫化物。這些揮發(fā)物以氣相狀態(tài)與耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并滲入耐火材料的氣孔或縫隙中，在溫度較低的部位凝結(jié)成液相，與耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這些化合物的冷凝液體對耐火材料的侵蝕更為強(qiáng)烈，它們通過浸潤、擴(kuò)散，向耐火材料氣孔內(nèi)深入滲透，尤其是上部結(jié)構(gòu)有裂紋和縫隙時(shí)，會對耐火材料造成很大的破壞。配合料粉塵和揮發(fā)物在大多數(shù)清況下共同對耐火材料進(jìn)行侵蝕。距加料口越遠(yuǎn)，配合料粉塵越少，而工作池及供料槽的上部結(jié)構(gòu)則只受到玻璃液揮發(fā)物的侵蝕。這兩種化學(xué)侵蝕都可以誘發(fā)和促進(jìn)不同種類耐火材料之間的相互反應(yīng)，并使耐火材料強(qiáng)度降低，甚至引起在物理作用下的損壞。窯內(nèi)氣氛也對耐火材料的侵蝕產(chǎn)生影響。如在還原氣氛下作業(yè)，或應(yīng)用發(fā)生爐煤氣時(shí)，煤氣中的CO和H2會使磚中的氧化鐵還原，從而加速對耐火材料的侵蝕。配合料粉塵和玻璃液揮發(fā)物及其冷凝物以及窯內(nèi)氣氛同樣也對蓄熱室耐火材料起著相當(dāng)大的破壞作用。熔融玻璃、料粉和揮發(fā)物與耐火材料接觸發(fā)生的交代反應(yīng)，主要是在固相存在下通過擴(kuò)散進(jìn)行的。由于熔融玻璃具