本站小編為你精心準(zhǔn)備了石油焦煅燒爐用后硅磚分析參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《耐火材料雜志》2016年第二期

摘要:

為了分析石油焦煅燒爐用硅磚的損毀機(jī)制，借助X射線衍射儀、場(chǎng)發(fā)射電子掃描隧道顯微鏡(SEM)及能譜分析儀(EDS)等設(shè)備分析了石油焦煅燒爐用后硅磚及在模擬環(huán)境下經(jīng)石油焦侵蝕后硅磚的物相組成，觀察了其微觀結(jié)構(gòu)變化，并結(jié)合熱力學(xué)分析探討了硅磚的損毀機(jī)制。結(jié)果表明:隨著溫度的升高，硅磚中的SiO2組分在還原性氣氛下更容易形成SiO等氣相物質(zhì)并逸出，從而導(dǎo)致硅磚內(nèi)部形成孔洞，破壞了硅磚的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。石油焦煅燒爐用硅磚的損毀主要與使用溫度偏高，SiO2組分持續(xù)被還原以及出現(xiàn)更多液相有關(guān)。

關(guān)鍵詞:

硅磚;石油焦煅燒爐;侵蝕機(jī)制

豎罐式石油焦煅燒爐熱利用率高，煅焦質(zhì)量均勻、穩(wěn)定且炭質(zhì)燒損低，在石油焦煅燒行業(yè)得到廣泛應(yīng)用［1］。豎罐式石油焦煅燒爐普遍采用硅磚作為內(nèi)襯耐火材料，其正常使用壽命一般在6～8年［2］。但是，為了有效地脫除影響石油焦質(zhì)量的主要雜質(zhì)成分之一的硫，煅燒溫度須提高到1500℃以上［3］，這使得豎罐式石油焦煅燒爐硅磚內(nèi)襯的壽命迅速降至2～3年。對(duì)于使用溫度不超過1300℃豎罐式石油焦煅燒爐用硅磚的損毀機(jī)制，孫傳杰等［4］和張偉等［5］曾進(jìn)行過研究。但對(duì)于使用溫度大幅提升后硅磚的損毀機(jī)制仍值得進(jìn)一步研究。本工作中，借助X射線衍射儀、場(chǎng)發(fā)射電子掃描隧道顯微鏡(SEM)及能譜分析儀(EDS)等設(shè)備分析了石油焦煅燒爐用后硅磚及在模擬環(huán)境下經(jīng)石油焦侵蝕后硅磚的物相組成，觀察了其微觀結(jié)構(gòu)變化，并結(jié)合熱力學(xué)分析探討了硅磚的損毀機(jī)制。

1試驗(yàn)

將在煅燒爐使用2年后的硅磚制成光片，并根據(jù)侵蝕情況將其分為侵蝕層與變質(zhì)層，然后分別對(duì)侵蝕層、變質(zhì)層的化學(xué)組成、物相組成及顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。模擬侵蝕試驗(yàn)用硅磚原磚的體積密度為1．76g•cm－3、顯氣孔率為23．6%、常溫耐壓強(qiáng)度為36MPa，平均孔徑為18．3μm。將其制成50mm×25mm的試樣，在烘箱中于110℃干燥24h備用。模擬侵蝕試驗(yàn)用石油焦的粒度≤0．088mm，其化學(xué)組成(w)為:Al2O30．10%，SiO20．02%，F(xiàn)e2O30．13%，CaO0．003%，MgO0．001%，TiO20．001%，K2O0．001%，Na2O0．004%，S0．88%，C90．44%，V2O50．06%，灼減99．75%。稱取試樣質(zhì)量1/2的石油焦細(xì)粉，將試樣埋于帶蓋石墨坩堝中，分別在1200、1500和1600℃處理3h，然后分析其化學(xué)組成、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)及質(zhì)量變化率和直徑變化率，并采用Factsage軟件進(jìn)行了熱力學(xué)分析。

2結(jié)果與討論

2．1用后硅磚分析在石油焦煅燒爐中使用2年后硅磚的剖面照片見圖1。觀察發(fā)現(xiàn):其表面有明顯的熔損現(xiàn)象，顏色也發(fā)生明顯的變化，并根據(jù)顏色差異將硅磚分為侵蝕層和變質(zhì)層。從用后硅磚侵蝕層和變質(zhì)層各層的XRD圖譜(見圖2)可以看出:它們的主要物相均為鱗石英以及鈣霞石、鈣長(zhǎng)石，與原磚相比無明顯新相形成。對(duì)原磚以及用后硅磚的侵蝕層和變質(zhì)層進(jìn)行了化學(xué)分析，結(jié)果見表1。可以看出:與原磚相比，用后硅磚侵蝕層和變質(zhì)層中的Al2O3、Fe2O3、CaO含量均明顯增多，而SiO2的含量明顯減少，并且還有少量S。用后硅磚的顯微結(jié)構(gòu)照片見圖3。可以看出:磚體表面部分有液相生成，EDS分析表明液相的主要成分為SiO2，見圖3(a)。進(jìn)一步放大該區(qū)域，可看到白色點(diǎn)狀物質(zhì)，經(jīng)EDS分析推測(cè)其為FeS，見圖3(b)，表明硫元素滲透到試樣內(nèi)部。隨著視域向內(nèi)移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)硅磚變質(zhì)層中孔洞明顯增多，見圖3(c);進(jìn)一步放大該區(qū)域，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中存在大量微小氣孔以及絨毛狀物質(zhì)，EDS分析表明這些絨毛狀物質(zhì)為SiO2，見圖3(d)。相比之下，在相同放大倍數(shù)下，原磚中骨料與基質(zhì)結(jié)合良好，且氣孔明顯少于用后硅磚，見圖3(e)。

2．2模擬石油焦侵蝕后試樣分析在不同溫度下模擬侵蝕后試樣表面和剖面的照片見圖4。可以看出:經(jīng)1200℃侵蝕后，試樣除表面顏色發(fā)黑外，未發(fā)現(xiàn)其他明顯變化，見圖4(a);經(jīng)1500℃侵蝕后，表面硅石骨料凸顯出來，并且硅石骨料表面還被一層光滑的熔融層包裹，見圖4(b);經(jīng)1600℃侵蝕后，表面骨料凸顯現(xiàn)象更為明顯，硅石骨料原有的棱角消失，熔融層更為明顯，見圖4(c)。將1600℃侵蝕后試樣垂直于軸向剖開，發(fā)現(xiàn)試樣周圍白色的熔融層厚度接近2mm，見圖4(d)。在不同溫度下模擬侵蝕后試樣的質(zhì)量變化率和直徑變化率見圖5。可以看出:經(jīng)1200℃侵蝕后，試樣質(zhì)量略有增大，可能系碳沉積所致，但試樣直徑并未發(fā)生變化;經(jīng)1500℃侵蝕后，試樣質(zhì)量明顯減小，直徑也略微縮小;經(jīng)1600℃侵蝕后，試樣質(zhì)量與直徑進(jìn)一步大幅減小，變化率分別為－9．7%和－2．1%。將不同溫度下侵蝕后試樣沿著垂直于軸向的方向切開，然后拋光并制成光片，以觀察其顯微結(jié)構(gòu)，如圖6所示。從圖6可知:經(jīng)1200℃侵蝕后，無明顯變化，見圖6(a)。經(jīng)1500℃侵蝕后，試樣邊緣被一層薄薄的光滑液相包裹，見圖6(b);EDS分析表明，液相主要由Si和O組成，同時(shí)含少量Ca和Al元素，見圖6(c)。隨著視域向試樣內(nèi)部移動(dòng)，可以看到試樣變得疏松多孔，并且有許多高亮色物質(zhì)，見圖6(d);EDS分析表明，高亮色物質(zhì)主要含F(xiàn)e和O元素，推測(cè)其為硅磚中的Fe2O3組分在還原性氣氛下形成的Fe/FeO［6］。經(jīng)1600℃侵蝕后，試樣表面被一層熔融的致密層包裹，經(jīng)EDS分析表明其主要由SiO2組成，見圖6(e);類似地，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為疏松多孔，見圖6(f)。

2．3熱力學(xué)分析為了探明石油焦煅燒爐用硅磚的損毀機(jī)制，采用Factsage軟件對(duì)分別在1200、1500和1600℃被石油焦侵蝕后可能出現(xiàn)的物相進(jìn)行了熱力學(xué)模擬。熱力學(xué)模擬選擇100g的SiO2、0．86g的CaF2、0．5g的Fe2O3、0．13g的Al2O3以及8．5g的CaO作為起始原料;根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果，假設(shè)石油焦由99%(w)的C和1%(w)的S組成。熱力學(xué)模擬結(jié)果見圖7，其中Alpha值為參與反應(yīng)的石油焦與硅磚的質(zhì)量比。從圖7可以看出:隨著侵蝕溫度的升高，SiO2與焦炭通過反應(yīng)(1)或(2)生成SiO(g)的量逐漸增加。還原生成的SiO(g)不斷向外擴(kuò)散，導(dǎo)致用后硅磚和模擬侵蝕試驗(yàn)后硅磚試樣內(nèi)部變得疏松多孔，也導(dǎo)致模擬侵蝕試驗(yàn)后試樣的質(zhì)量減小率增大;向外擴(kuò)散的SiO(g)也可能在氧分壓較高的地方重新氧化生成SiO2，這是用后硅磚內(nèi)部出現(xiàn)絨毛狀SiO2晶體的原因。從圖7還可以看出:隨著侵蝕溫度的升高，硅磚內(nèi)部產(chǎn)生的液相量逐漸增多，這導(dǎo)致模擬侵蝕試驗(yàn)后試樣表面的液相包裹層增厚，也導(dǎo)致試樣的線收縮增大。事實(shí)上，溫度的升高還可能導(dǎo)致液相黏度的降低。在長(zhǎng)期使用過程中，這些液相有可能加劇骨料顆粒的溶蝕，再經(jīng)過灰分、氣流的沖刷，在一定程度上也會(huì)降低硅磚的壽命。另外，從熱力學(xué)上看，硫在高溫下也會(huì)與SiO2發(fā)生反應(yīng)生成SiS2等氣相物質(zhì)，但熱力學(xué)計(jì)算表明其反應(yīng)量相當(dāng)小，其對(duì)硅磚侵蝕的影響有限。模擬侵蝕試驗(yàn)亦未觀察到硫化物的形成。至于用后硅磚中觀察到少量FeS相，推測(cè)在煅燒爐實(shí)際運(yùn)行過程中硫組分很可能首先接觸硅磚表面的液相，并且熱力學(xué)上FeS比SiS2更容易生成，硫原子優(yōu)先和Fe結(jié)合，從而以FeS的形式存在硅磚表面。由此可以認(rèn)為，硫組分侵蝕并不是煅燒爐硅磚侵蝕的主要原因。

3結(jié)論

(1)硅磚在高溫還原性氣氛下的損毀與溫度密切相關(guān)。隨著溫度的升高，硅磚中的SiO2組分在還原性氣氛下更容易形成SiO等氣相物質(zhì)并逸出，從而導(dǎo)致硅磚質(zhì)量損失增大，內(nèi)部出現(xiàn)大量孔洞，破壞了硅磚的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;另一方面，溫度升高會(huì)導(dǎo)致硅磚中形成更多液相。(2)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)用后硅磚分析認(rèn)為，石油焦煅燒爐用硅磚的損毀主要與使用溫度偏高，SiO2組分持續(xù)被還原以及出現(xiàn)更多液相有關(guān);硫組分侵蝕影響有限。

參考文獻(xiàn)

［1］郝永琴．罐式煅燒爐爐齡的探討［J］．碳素，2004(2):35－39．

［2］李素平，張慧敏，李炳文，等．硅磚的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］．耐火材料，2015，49(3):238－240．

［3］張艷．高硫石油焦脫硫新技術(shù)研究［D］．長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2012．

［4］孫傳杰，蘆健，林軍．硫分對(duì)罐式煅燒爐的影響［J］．輕金屬，2004(1):45－47．

［5］張偉，石干，黃振武．罐式煅燒爐用后硅磚損蝕分析［J］．耐火材料，2010，44(增刊):259－262．

作者：任博 桑紹柏 徐義彪 林正杰 李建濤 董紅芹 單位：武漢科技大學(xué) 省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鄭州才華耐火材料有限公司