炭黑反應(yīng)爐內(nèi)襯耐火磚設(shè)計(jì)要點(diǎn)
炭黑被廣泛用顏料、填充材料、補(bǔ)強(qiáng)材料及耐候性改善劑等。炭黑一般是用圓筒性的炭黑反應(yīng)爐生產(chǎn)的。反應(yīng)爐分成三段，在第一反應(yīng)段中，從反應(yīng)爐的軸向或切向?qū)牒鯕怏w和燃料，依靠它們的燃燒得到高溫燃燒氣流。該氣流流入軸向連接的第二反應(yīng)段。同時(shí)，在此處向該氣流中導(dǎo)入原料烴，使之生成炭黑。在第三的反應(yīng)段，使殘留烴碳化后，急冷反應(yīng)氣體，使反應(yīng)終止。這是眾所周知的爐法炭黑工藝。
炭黑反應(yīng)爐多以重油為燃料，乙烯焦油等碳?xì)浠衔餅樵希谏a(chǎn)炭黑過程中于反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行比較復(fù)雜的燃料燃燒，碳?xì)湓系臒岱纸狻⒗鋮s炭黑的噴霧水作用，以及燃料和原料熱分解產(chǎn)物與內(nèi)襯耐火磚組分的物理化學(xué)反應(yīng)等多種過程，在反應(yīng)爐內(nèi)燃燒段溫度可達(dá)1600~1700℃隨著對炭黑產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高和對生產(chǎn)技術(shù)的調(diào)整操做溫度也有原來的1700℃以下提高到1900℃左右。且爐內(nèi)熱氣流速度很大，氣流速度在喉管末端為全爐最大可達(dá)340~370m·s.正常工作狀態(tài)下，喉管末端氣流溫度為1700℃以上，。同時(shí)，由于操作原因引起的停爐及各類產(chǎn)品的更換，均會造成爐襯材料受熱應(yīng)力作用引起剝落。另外，燃料和原料熱解后產(chǎn)生的灰分中含有V、Ni、Na、Ca、S等的氧化物，對耐火材料也有很大的侵蝕作用。
一：內(nèi)襯耐火磚設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
1.1 抵抗高溫氣流沖蝕的能力
炭黑反應(yīng)爐最大的特點(diǎn)是氣流速度大溫度高。特別是新工藝炭黑反應(yīng)爐，正常工作狀態(tài)下溫度最高達(dá)1920℃，氣流速度為370m/s，對爐襯材料的沖蝕作用是非常嚴(yán)重的，目前耐火材料試驗(yàn)室檢測條件還無法模擬炭黑反應(yīng)爐的工作條件，因此，也就無法簡單地采用某一項(xiàng)理化指標(biāo)來直接判斷耐火材料抵抗高溫氣流沖蝕的能力。只能是材料的熔點(diǎn)或出現(xiàn)液相的溫度越高，材料抵抗高溫氣流沖蝕的能力就越好，材料的使用壽命就越長。材料的荷重軟化溫度越高，說明材料的高溫強(qiáng)度越高，材料抵抗高溫氣流沖蝕的能力也就越高，反之則越低。高溫抗折強(qiáng)度和荷重軟化變形溫度反應(yīng)的都是材料的高溫強(qiáng)度，高溫抗折檢測的最高溫度國內(nèi)目前是1450℃，荷重軟乎溫度的最高檢測溫度是1700℃。相比之下，荷重軟化溫度比高溫抗折強(qiáng)度更接近與材料在炭黑反應(yīng)爐的使用情況。但是在1450℃以下，高溫抗折強(qiáng)度則更直接地反映了材料的高溫強(qiáng)度，在材質(zhì)相同時(shí)，材料的體積密度越高，顯氣孔率越低，材料抵抗高溫氣流沖蝕的能力就越高。純氧化鋁熔點(diǎn)高達(dá)2025℃，高純剛玉磚氧化鋁含量達(dá)99.5%左右，雜質(zhì)很少，它的熔點(diǎn)基本上接近氧化鋁的熔點(diǎn)，估計(jì)在2000℃左右，荷重軟化溫度在1700℃以上，抵抗高溫氣流沖蝕能力較好，剛玉莫來石磚在1810℃左右會出現(xiàn)約11%的液相，1900℃時(shí)液相量則會高達(dá)20%，因此該材料荷重軟化溫度雖然大于1700℃，但在1800℃以上使用時(shí)會存在一定的問題，在1800℃以下使用時(shí)抵抗高溫氣流沖蝕的能力較好。鉻剛玉磚開始出現(xiàn)液相的溫度比高純剛玉磚高、氧化鉻含量越高，鉻剛玉磚開始出現(xiàn)液相的溫度也越高，液相粘度相應(yīng)增大，磚的高溫強(qiáng)度相應(yīng)增高，相對應(yīng)的是鉻剛玉磚的高溫性能好于高純剛玉磚，抵抗高溫氣流沖蝕的能力要明顯好于高純剛玉磚。高鉻磚和鉻剛玉磚不同，高鉻磚的氧化鉻含量高于鉻剛玉磚，但是熱震穩(wěn)定性很差是致命的缺點(diǎn)，為克服高鉻材料的熱震穩(wěn)定性差加入一定的氧化鋯材料來改善其熱震穩(wěn)定性。氧化鋯的加入，材料開始出現(xiàn)液相的溫度被大幅度降低，由Cr2O3—AL2O3系的2025~2200℃降低至1700℃左右，材料的高溫強(qiáng)度大幅降低，荷重軟化溫度僅1650℃左右，比高純剛玉磚、剛玉莫來石磚個(gè)鉻剛玉磚都低。因此高鉻磚抵抗1700℃以上高溫氣流沖蝕的能力較差。從以上分析可看出，抵抗1700℃以上高溫氣流沖蝕的能力大小依次為：氧化鋯磚>鉻剛玉磚>高純剛玉磚>剛玉莫來石磚>高鉻磚。
1.2抵抗炭黑粒子化學(xué)侵蝕的能力
新工藝炭黑反應(yīng)爐原料入口處前部是氧化氣氛，后部是還原氣氛。氧化物材料的理化性能都是在大氣狀態(tài)即氧化氣氛下測定的，而當(dāng)氧化物在還原氣氛下使用時(shí)，理化性能都程度不同地受到影響，尤其是材料高溫性能。如氧化硅材料在1100℃以上的氫氣氣氛時(shí)，氧化硅將被氫氣還原為金屬硅，材料的結(jié)構(gòu)被破壞而失效。為研究比較這幾種耐火材料在炭黑反應(yīng)爐喉管后部以后還原氣氛下的使用情況，我們將這幾種材料制成50mmX50mmx50mm左右的樣塊，放入裝滿炭黑的氧化鋁坩堝，并將坩堝口用氧化鋁細(xì)粉密封，于1600℃的窯內(nèi)燒成10小時(shí)，測定樣塊在燒成實(shí)驗(yàn)前后重量和外觀尺寸的變化，用于評價(jià)材料抵抗炭黑粒子化學(xué)侵蝕的能力。在通過10小時(shí)后的結(jié)果可以看出，剛玉磚和氧化鋯磚抵抗炭黑李子化學(xué)侵蝕的能力都很好，外觀尺寸無變化，而高鉻磚則大不相同，重量損壞率高達(dá)—7%，因此，高鉻磚在高溫還原氣氛下使用時(shí)要格外小心。
1.3 抵抗?fàn)t氣中雜質(zhì)侵蝕的能力
炭黑反應(yīng)爐爐氣中的雜質(zhì)主要是氧化硅、氧化鈣和氧化鋁等，他們在高溫下將會與磚襯發(fā)生一些列的物理化學(xué)反應(yīng)，生成一些低熔點(diǎn)物質(zhì)或在磚襯內(nèi)產(chǎn)生一定量的液相，對磚襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用。高純剛玉磚在收到爐氣中SiO2、CaO等雜質(zhì)侵蝕后，磚襯開始出現(xiàn)液相的溫度由原來的2000℃左右降低至1500℃左右，根據(jù)高純剛玉磚在新工藝炭黑反應(yīng)爐喉管使用8個(gè)月后的殘磚纖維結(jié)構(gòu)分析來看，高純剛玉磚在1920℃左右的高溫使用狀況下磚內(nèi)液相量大約為5%，液相呈孤立狀態(tài)存在。由此可見，高純剛玉磚雖然由于氣流中的SiO2、CaO等雜質(zhì)的侵入，使得磚開始出現(xiàn)液相的溫度大幅度降低，但液相量很小，對磚的結(jié)構(gòu)破壞不大，因此，高純剛玉磚抵抗炭黑反應(yīng)爐氣流中雜質(zhì)侵蝕作用的能力較好。剛玉莫來石磚在受到爐氣中雜質(zhì)SiO2、CaO等侵蝕后，開始出現(xiàn)液相的溫度由原來的1810℃左右降低為1500℃左右，與高純剛玉住安相近，但由于剛玉莫來石磚本身有一定量的氧化硅，磚在使用過程中出現(xiàn)的也想量比高純剛玉磚的要大許多，磚襯損壞速度自然要大一些，因此，剛玉莫來石磚抵抗?fàn)t氣雜質(zhì)侵蝕的能力比高純剛玉磚要差一些。鉻剛玉磚在受到爐氣中SiO2、CaO、AL2O3等雜質(zhì)侵蝕時(shí)，開始出現(xiàn)液相的溫度由原來的2100℃左右降至1500℃左右，但由于磚中的氧化鉻能吸收氧化鈣形成熔點(diǎn)高達(dá)2300℃左右的固溶體，磚中實(shí)際產(chǎn)生的液相很少，粘度也較大，而且在SiO2、CaO、AL2O3等爐氣雜質(zhì)侵入量增大時(shí)，液相量增加較為緩慢，因此鉻剛玉磚抵抗炭黑爐爐氣中雜質(zhì)的能力相當(dāng)好。氧化鋯磚在受到炭黑爐氣中SiO2、CaO、AL2O3等雜質(zhì)侵蝕時(shí)，磚開始出現(xiàn)液相的溫度由原來的1680℃左右降低至1780℃左右，降低幅度較大，但仍高于前面幾種200℃左右，因此，氧化鋯磚抵抗炭黑爐爐氣中雜質(zhì)侵蝕的能力最好。
總結(jié)：氧化鋯磚是最好的炭黑反應(yīng)爐內(nèi)襯耐火磚的爐襯材料，但是價(jià)格最高，因此，除非有特殊材料需求，炭黑反應(yīng)爐采用氧化鋯磚可能不很經(jīng)濟(jì)。高純剛玉磚和鉻剛玉磚作燃燒段和喉管段內(nèi)襯材料較好，反應(yīng)段和急冷段采用高純剛玉磚較好，剛玉莫來石磚適宜于操作溫度角度的炭黑反應(yīng)爐
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