全氧玻璃熔窑耐火材料的选择

根据熔窑设计对耐火砖同步损耗的要求，窑期结束时熔窑各部位的蚀损情况应基本相近，以达到经济、合理的效果。大碹、池壁、胸墙被列为全氧燃烧玻璃熔窑的关键部位，其选材的优劣也直接影响到熔窑的寿命及玻璃企业的整体利益。河南耐火材料厂从如下方面分析玻璃熔窑耐火材料的选择。

3.1　碹顶选材

传统上，大碹使用的主要是硅砖。Winder等以“短期”实验室模拟试验和“长期”砌体实际试验样品的两种方式研究了数种熔铸制品和硅砖的侵蚀，并进行了扩散理论分析。硅砖的荷重软化温度高，价格比较便宜，作为大碹使用时，在碱性组分作用下，砖体表面被熔蚀，形成富含SiO2的新玻璃相。由于其粘度高，不仅堵塞了气孔，而且还阻碍了碱性组分向砖内进一步扩散，只有当砖表面的高粘度玻璃相流失时，砖体才会受到进一步侵蚀。另外，由于温度变化产生的多晶转变伴随着体积变化，使砖体松懈。在全氧燃烧窑内，窑顶内表面的温度比空气阻燃时降低了25～50℃，但碱蒸气浓度却相应高了4～5倍，且气流冲量很大，这些都大大加速了窑顶硅砖的蚀损，其侵蚀的化学反应如式。低熔点的硅酸盐玻璃相富集在硅的表面，在重力及环境条件变化的影响下，尤其是碱蒸气浓度较高且气流冲力较大的情况下，硅砖表面反应物以融滴的形式滴下，碱蒸气趁机向硅砖内部扩散，加速了硅砖的侵蚀。同时，由于硅砖的熔蚀损坏后，还会使硅砖下的熔铸AZS砖产生“硅流蚀损”现象，从而使熔窑使用寿命缩短，并给玻璃液带来耐火材料结石，使玻璃的成品率下降。因此，硅砖并不适合作长窑龄熔窑的大碹材质。采用电熔AZS砖作为碹顶材料，通常评价常规电熔AZS砖质量的重要指标是玻璃相的渗出，同时电熔AZS砖表面附近的高粘度液相的屏障作用是进一步保证其寿命的关键。然而，AZS材料含有大量SiO2，高的碱蒸气浓度将使碱物质的侵入量增加，降低砖中玻璃相的粘度，导致严重的渗出。因此，如果采用电熔AZS砖作为碹顶材料，必须作很大改进。Moore等对比分析了空气2燃料和氧2燃料两种燃烧方式对碹顶采用硅砖和AZS砖的侵蚀行为，但未做试验剖析。日本旭硝子公司通过模拟试验得出，α2β刚玉砖和低玻璃相渗出的电熔锆刚玉砖比较适用于全氧燃烧熔窑。采用αβ2刚玉砖作为碹顶材料，要特别注意其组装质量，且对尺寸的要求也非常严格，而且密封材料也要随之配套开发。此外，相对较为昂贵的价格也使得其仅局限用于生产高档次玻璃的全氧燃烧玻璃熔窑。采用低玻璃相渗出的电熔锆刚玉砖作为碹顶材料，其胀缝的处理、密封及尺寸的规格、材质的搭配、成本也同样是一个很大难题。另外，β2Al2O3砖也是抗碱蒸气侵蚀较好的耐火材料，但其耐压强度和抗飞料侵蚀性都较差。同时，英国科学家认为硅砖的优点是价廉体轻，如果在组织结构和玻璃相组成上给予改进，就可以继续应用。经多次试验后得到了一种改良硅砖，其结构致密，玻璃相为CaO・SiO2，熔融温度为1520℃，能耐高浓碱蒸气的侵蚀。美国科学家认为采用电熔锆刚玉砖可能会有碹滴下落，更倾向于用电熔氧化铝砖(α2βAl2O3)。α2βAl2O3约含45%的α2Al2O3相和55%β2Al2O3相，杂质相约为1%，气孔2%。在空气燃烧和全氧燃烧(无粉尘)时，其表面都形成α2Al2O3层和气孔；从β2Al2O3中失Na生成NaOH并伴随着17%的体积减少和生成细分散的孔隙。α2βAl2O3砖适用于大多数场合，如果因α2βAl2O3砖价格昂贵，难以承担时，则从热点到桥墙一段必须采用α2βAl2O3砖。表1列出了美国在全氧窑中使用α2βAl2O3砖的几个窑期。表2列出了当前全氧燃烧条件下选用的几种耐火材料.

3.2　胸墙选材

通常全氧熔窑胸墙选用电熔AZS砖，窑中火焰的冲刷使胸墙砖产生机械磨损，同时，由于热气流的冲击，引起大量的碱性粉料飞扬，使部分的Na2O和K2O粘附于胸墙表面，不断与胸墙砖的某些组分发生反应，引起化学侵蚀。此外，火焰空间的碱蒸气直接从砖缝及开口气孔进入砖的内部，发生化学侵蚀。就砖体自身而言，闭口气孔和砖中残余的碳氧化形成的气体，高温下体积急剧膨胀将砖中的液相挤出。这个过程与温度和碱蒸气的共同作用有关，使得大量液相渗出耐火砖外，加剧了砖体的剥落。Mackintosh等在研究玻璃相渗出和侵蚀的相互关系时指出，AZS砖的蚀损主要是由于玻璃液中的一价和二价离子R+、R2+向砖内基质的扩散，且砖中玻璃相会为这种扩展提供通道；高含碱的液相促进刚玉的溶解；而液相中Al3+浓度的提高能降低ZrO2的溶解度。因此，在全氧燃烧玻璃熔窑中，同样也要对胸墙部位的熔铸AZS砖进行必要的改进，主要为降低玻璃相含量，使得在用于上部结构时玻璃相的渗出量更少；同时提高其抗蠕变性能，把正常的使用温度从1600℃提高到1650℃。

3.3       池壁选材

通常全氧燃烧窑中的池壁也选用电熔AZS砖。Gupta等曾研究了3个熔窑用AZS池壁砖后液面的蚀损变化。电熔AZS砖中玻璃相较多，这种玻璃相的熔点低，在高温下向砖外渗出，由于全氧燃烧产生了大量的水蒸气，占整个烟气量的67%，同时，使得玻璃液中的OH-浓度增大，降低了玻璃的粘度，提高了玻璃中玻璃相的分离和结晶趋势，加大了玻璃液的对流速度。普通熔铸AZS砖的玻璃相渗出温度为1400℃左右，而在1600℃左右的高温全氧燃烧熔窑中，大量的玻璃相会不断渗出，使砖中的结晶相变成孤立状，在自重和液流的作用下落入玻璃液中。玻璃液中的碱性氧化物如Na2O及K2O与AZS砖中的Al2O3不断反应，产生霞石及β2氧化铝；砖中ZrO2及Al2O3不断析出到砖体的表面，形成高粘度的保护层，阻止了玻璃液的进一步侵蚀。但是冲刷及自身的容重使得这层保护层逐步更新，则侵蚀会进一步加剧。全氧燃烧产物中大量的水蒸气与玻璃液表面层的组分反应，形成挥发性的氢氧化物不断逸出玻璃液表面，加剧了池壁三相液面线处的侵蚀。据美国某耐火材料公司研究证明，全氧燃烧窑中池壁砖的侵蚀速度较空气燃烧窑中快25%。因此，普通的熔铸AZS砖不适合应用于全氧燃烧池壁，必须开发一种化学稳定性好、玻璃相含量低并具有高液相渗出温度新型耐火材料。

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