China kiln refractory bricks

Исследование эрозии корундовых и муллитовых кирпичей шлаком вращающейся печи

Абстрактный

В этом исследовании основное внимание уделяется проблеме эрозии корундовых огнеупорных кирпичей и муллитовых огнеупорных кирпичей в зоне горения вращающихся печей для сжигания опасных отходов. Отбирая образцы использованных кирпичей от определенной компании и используя XRD, SEM в сочетании с EDS для анализа микроструктуры и состава остаточных кирпичей, мы изучаем механизм эрозии корундовых кирпичей и муллитовых кирпичей под воздействием шлака, содержащего галогены и соли с высоким содержанием натрия. Результаты показывают, что соли натрия, соли калия и такие элементы, как Br и Cl в шлаке, обладают сильными эрозионными и проникающими свойствами. Вещества с низкой температурой плавления и низкой плотностью, такие как NaCl, KBr и содалит, образующиеся в матрице, не только снижают высокотемпературные характеристики кирпичей в зоне горения, ускоряя эрозию и износ материалов, но и вызывают необратимое объемное расширение кирпичей, что приводит к растрескиванию во время работы вращающейся печи.

1. Введение

С быстрым развитием промышленности образование опасных отходов увеличивается с каждым днем. Вращающиеся печи для сжигания опасных отходов, как основное оборудование для обработки опасных отходов, широко используются благодаря своей высокой эффективности и стабильным возможностям обработки. Корундовые огнеупорные кирпичи, известные своей высокой огнеупорностью и твердостью, и муллитовые кирпичи, ценимые за хорошую термическую стабильность и коррозионную стойкость, часто применяются в ключевых частях вращающихся печей, особенно в зоне горения. Однако сложный состав опасных отходов приводит к образованию шлака, содержащего галогены (такие как Cl и Br) и соли натрия с высоким содержанием в процессе сжигания. Эти шлаки сильно разъедают корундовые кирпичи и муллитовые кирпичи, сокращая срок службы кирпичей, вызывая частое техническое обслуживание вращающейся печи и увеличивая стоимость и риски безопасности при обработке опасных отходов. Поэтому изучение механизма эрозии таких шлаков на корундовых и муллитовых кирпичах имеет большое значение для повышения устойчивости и экономической эффективности вращающихся печей для сжигания опасных отходов.

2. Экспериментальная секция

2.1 Сбор образцов

Были отобраны использованные корундовые кирпичи и муллитовые кирпичи из зоны горения вращающейся печи для сжигания отходов компании по переработке опасных отходов. Образцы были взяты из нескольких точек в разных положениях (например, в середине стенки печи, около входного отверстия для подачи и т. д.), чтобы обеспечить репрезентативность образцов. Образцы были разрезаны на соответствующие размеры: некоторые использовались для макроскопического наблюдения за морфологией, некоторые были измельчены в порошок для анализа состава, а оставшиеся образцы были сохранены в своей первоначальной структуре для исследования микроструктуры.

2.2 Методы анализа

1. Рентгеноструктурный анализ (XRD): Для испытания порошка молотого кирпича использовался рентгеновский дифрактометр. Анализируя дифракционные картины, определялся фазовый состав кирпичей и вновь образованные фазы после эрозии шлака, а также исследовались правила изменения фаз.

2. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ): После напыления образцов золотом сканирующий электронный микроскоп использовался для изучения микроструктуры кирпичей, включая морфологию матрицы и заполнителя, распределение трещин и характеристики интерфейса эрозии, с целью получения микроскопической структурной информации.

3. Энергодисперсионная спектроскопия (ЭДС): В сочетании с СЭМ энергодисперсионная спектроскопия была проведена на различных участках кирпичей для определения элементного состава и распределения содержания каждой части, уточнения пути проникновения и областей обогащения компонентов шлака в кирпичах.

3. Результаты и обсуждение

3.1 Анализ макроскопической морфологии

Использованные корундовые кирпичи и муллитовые огнеупорные кирпичи показали очевидные характеристики эрозии на поверхности. В некоторых областях поверхность корундовых огнеупорных кирпичей была шероховатой с многочисленными сколами различной глубины, в то время как муллитовые огнеупорные кирпичи показали больше трещин и износа кромок. Края и углы некоторых кирпичей были сильно изношены, а их размеры были значительно уменьшены. В областях с более высокой концентрацией шлака, например, вблизи входного отверстия для подачи, эрозия обоих типов кирпичей была более сильной, что указывает на то, что степень контакта и время пребывания шлака с кирпичами оказывают значительное влияние на эффект эрозии.

3.2 Результаты рентгенодифракционного анализа

Основной фазой исходных корундовых огнеупорных кирпичей был корунд ($Al_2O_3$), а муллитовые кирпичи в основном состояли из муллита ($3Al_2O_3 \cdot 2SiO_2$). После эрозии шлака на рентгенограммах появились новые фазовые пики, включая содалит ($Na_8[AlSiO_4]_6Cl_2$), хлорид натрия ($NaCl$), бромид калия ($KBr$) и т. д. Содалит образовался в результате химической реакции между солями натрия в шлаке и компонентами в кирпичах. Его образование потребляло основные фазы в кирпичах, разрушая исходную структуру кирпичей. Присутствие солей с низкой температурой плавления, таких как $NaCl$ и $KBr$, снижало температуру плавления поверхности кирпича, делая как корундовые, так и муллитовые кирпичи более легко поддающимися эрозии под воздействием материалов при высоких температурах.

3.3 Результаты анализа SEM-EDS

1. Микроструктурные характеристики: Снимки СЭМ показали, что матричная часть как корундовых кирпичей, так и муллитовых огнеупорных кирпичей была сильно эродирована. На границе эрозии было видно большое количество мелких трещин и пор, и шлак проникал внутрь кирпичей через эти каналы. В корундовых кирпичах кристаллы корунда постепенно окружались и растворялись шлаком; в муллитовых огнеупорных кирпичах был поврежден каркас муллита. По мере углубления эрозии сила связи между частицами в обоих типах кирпичей ослабевала.

2. Закон распределения элементов: анализ EDS показал, что такие элементы, как $Na$, $K$, $Br$ и $Cl$ в шлаке, были распределены на поверхности и внутри кирпичей. На поверхности кирпичей содержание этих элементов было относительно высоким. По мере того, как оно распространялось внутрь кирпичей, содержание элементов постепенно уменьшалось, но все еще наблюдалось очевидное обогащение вокруг трещин и пор. Среди них элемент $Na$ реагировал с компонентами в кирпичах, образуя содалит, создавая непрерывную фазовую сеть с низкой температурой плавления в матрице. Элементы $Cl$ и $Br$ в основном существовали в форме галогенидов. Эти галогениды с низкой температурой плавления были жидкими при высоких температурах, ускоряя проникновение шлака в кирпичи.

3.4 Обсуждение механизма эрозии

1. Химическая эрозия: Натриевые соли (например, $Na_2O$) в шлаке вступают в химическую реакцию с компонентами корундовых кирпичей и муллитовых огнеупорных кирпичей, образуя фазы с низкой температурой плавления, такие как содалит, что снижает огнеупорность и высокотемпературную прочность кирпичей. В то же время галогенные элементы, такие как $Cl$ и $Br$, вступают в реакцию с металлсодержащими компонентами в кирпичах, образуя летучие галогениды, что еще больше повреждает структуру кирпича. Химическая эрозия изменяет фазовый и химический состав кирпичей, ухудшая их эксплуатационные характеристики.

2. Физические эффекты: Вещества с низкой температурой плавления и низкой плотностью, такие как $NaCl$ и $KBr$, плавятся при высоких температурах и заполняют поры и трещины кирпичей, вызывая объемное расширение кирпичей. Из-за колебаний температуры во время работы вращающейся печи это необратимое объемное расширение создает концентрацию напряжений внутри кирпичей. Когда напряжение превышает предел прочности кирпичей, происходит их растрескивание. Кроме того, наличие шлака с низкой температурой плавления снижает вязкость поверхности кирпичей, что облегчает эрозию материалов и износ кирпичей, ускоряя эрозию корундовых и муллитовых кирпичей.

4. Заключение

1. Шлак, содержащий галогены и соли с высоким содержанием натрия во вращающихся печах для сжигания опасных отходов, оказывает сильное эрозионное воздействие на корундовые кирпичи и муллитовые огнеупорные кирпичи, в основном за счет химической эрозии и физического воздействия.

2. Химическая эрозия приводит к изменению фазы кирпичей, образуя фазы с низкой температурой плавления, такие как содалит. Физические воздействия вызывают расширение объема и растрескивание кирпичей из-за образования веществ с низкой температурой плавления, и в то же время усиливают эрозию и износ кирпичей материалами.

3. Это исследование раскрывает механизм эрозии, предоставляя теоретическую основу для разработки новых огнеупорных материалов с превосходной коррозионной стойкостью и оптимизации конструкции и использования корундовых кирпичей и муллитовых огнеупорных кирпичей для вращающихся печей для сжигания опасных отходов. Последующие исследования могут быть сосредоточены на подавлении образования фаз с низкой температурой плавления и улучшении противорасширительных свойств кирпичей для улучшения срока службы огнеупорных материалов.