耐火衬里损坏机理分析

耐火材料在使用过程中，由于受到高温或温度变化、气氛变化和熔渣的腐蚀和侵蚀，其损坏形式复杂，损坏机制多样。综上所述，耐火材料的损坏形式主要有两种基本类型:机械损坏和化学侵蚀。

2.1 机械损坏

耐火材料的机械损坏主要包括热剥落、结构剥落、高温热疲劳和机械冲击造成的损坏。“热震”现象不可避免地发生在使用气化炉耐火材料的过程中，这是造成耐火材料机械损坏的主要原因之一。

当耐火材料的运行温度发生较大变化时，所谓热震就会对其产生影响。GE公司对热循环有一个定义，即当温度在1h以内发生100℃变化时，称为热循环，也可归为热震。在烘炉、投料、停车过程中，气化炉容易产生热震现象，尤其是在投料和停车过程中。在烘炉过程中，由于负压和烘炉燃料控制不当，炉温可能会在短时间内发生较大变化，集中表现为气化炉燃烧室上下温差较大，局部温度过高。此时整体热膨胀会不均匀，可能会导致局部裂缝，也可能导致砖块被挤压。在进料过程中，由于煤浆和氧气都是低温介质，它们在1分钟内相继进入炉子。此时，炉子的温度通常在1000℃左右。从DCS上观察炉子温度的变化，可以发现在进料的瞬间，炉子内的温度先降后升。下降是因为冷介质进入高温环境时会吸收大量的热量。上升是因为当煤浆和氧气温度达到一定值时，会发生剧烈的氧化反应。因此，每次进料相当于对气化炉的耐火材料进行了两次“热震”。为确保氧气管道和煤浆管道在停车过程中的清洁，应对两条主要物料管道进行氮气吹扫。每一次停车进入气化炉燃烧室，氮气从13MPa降至11.3MPa左右，氮气进入约1000m3，同样会使耐火材料的温度突然下降，因此每一次停车都相当于一次“热震”。这一结论可以从运行过程中得出结论：气化炉开停次数越多，机械损坏耐火材料的机率就越高。

在系统运行初期，由于人们对这种大型炉子缺乏了解，炉子运行不稳定等诸多原因，气化炉经常开启和停止，有时会在较低温度下进行联合投资运行，这也是耐火材料寿命短的原因之一。

2.2 化学侵蚀

由多种高熔点化合物组成的水煤浆加压气化炉耐火材料，其主要成分是Cr₂O₃，当前使用耐火材料到火面的Cr₂O₃Al含量可达90%以上，其余为Al。₂O₃、ZrO₂等成分。有些化合物具有同质多晶现象，即同一化合物具有多种晶体结构(晶型)。当条件发生变化时，将从一个晶型转变为另一个晶型。如果一种化合物有几种晶型，那么在一定的温度和压力下，只有一种晶型可以稳定地存在。举例来说，一种化合物有晶型I和晶型。Ⅱ两者，当温度低于一定值时，只有晶型I才能稳定存在；当温度升至一定值时，晶型I和晶型I就会发生。Ⅱ当温度高于这个温度时，它们之间的变化只有晶型。Ⅱ可以稳定存在。对水煤浆加压气化炉的耐火材料而言，在不考虑其它因素而只考虑温度的情况下，对温度的要求不超过1500℃。由于晶体变化往往伴随着体积(或密度)和其他性质的变化，当晶体变化发生在耐火材料中时，可能会出现裂纹、疏松或粉化，从而影响其整体使用寿命。

如果将熔渣浸入耐火材料内部的气孔中，不仅会促进耐火材料的熔化和腐蚀，还会导致材料的化学腐蚀和结构剥落，加速其损坏。由于熔渣一旦渗透到耐火材料内部的气孔中，就会立即发生反应，导致工作表面变质，其结果就会导致高温条件下渗透区变得十分疏松。有些人做过相关的实验，当温度达到1300℃时，熔渣对耐火砖的渗透深度可达30毫米。就水煤浆加压气化技术本身而言，在现有煤种范围内，大多数煤种的操作温度不能达到1300℃以下，因此可以得出熔渣在正常生产过程中对耐火材料的侵蚀几乎不可避免的结论。经过大量的工业化探索试验，我们发现，为了延长耐火材料的使用寿命，Cr₂O₃和渣中的Fe一起₂O₃、Al₂O₃、FeO、复合尖晶石的MgO反应生成(Mg、Fe)O(Al、Cr、Fe)₂O₃，一致的保护层形成在耐火材料表面，可防止炉渣进一步侵蚀。通过控制熔渣的粘温特性，可以达到防止熔渣渗透到耐火材料内部的荣盛耐材有效方法。