一种评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的试验装置及方法，该装置包括BTML‑1700℃高温反应管式炉、双层坩埚、气瓶、热电偶、进气管、出气管、SRS13A精密温度控制仪。本发明可以模拟高炉内部碱金属与耐火材料反应的实际情况，综合评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的优劣。本发明根据克劳佩龙‑克劳修斯方程和热力学分析得出结论，碱蒸气在炉缸高压条件下不与耐火材料发生反应，而碱金属为液态时能与耐火材料反应形成白榴石、钾霞石等新相。

权利要求

1.一种评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括气瓶(1)；进气管(2)；转子流量计(3)；出气管(4)；炉盖(5)；刚玉炉管(6)；钼丝线圈(7)；双层坩埚(8)；热电偶(9)；FP93表(10)；电压表(11)；电流表(12)；指示灯(13)；操作键(14)；导线(15)，所述的气瓶(1)贮藏着高纯氩气，通过进气管(2)、转子流量计(3)与管式炉相连，转子流量计(3)接在气瓶(1)与管式炉中间，对气体进行控流，所述的炉盖(5)中间钻一小孔，孔中间透过出气管(4)，所述的钼丝线圈(7)是管式炉的加热元件，分布在刚玉炉管(6)周围，炉管的恒温区放置着双层坩埚(8)，底部放有热电偶(9)用于测量炉内实际温度，并反映在FP93表(10)上，所述FP93表(10)右侧分别为电压表(11)和电流表(12)，用于监测实验过程中的电压和电流，所述FP93表(10)、电压表(11)和电流表(12)下面分别为指示灯(13)，反映了操作键(14)的状态，控制台下部通过导线(15)与管式炉相连接；实验所用SRS13A精密温度控制仪包含FP93表(10)，电压表(11)、电流表(12)、指示灯(13)、操作键(14)、导线(15)，所述双层坩埚(8)包括坩埚主体(81)、坩埚盖(82)和多孔垫片(83)，所述多孔垫片(3)放置在坩埚主体(1)内，通过坩埚主体(1)与坩埚盖(2)连接，试验装置配备高压气瓶，向炉内供应高纯氩气，维持试验过程中惰性气氛，防止耐火材料被氧化，实验过程中通高纯氩气进行保护，通过进气管(2)进入炉内，所述进气管(2)和刚玉炉管(6)中间还连接了一个转子流量计(3)，用于便捷的调节气体流量，管式炉上部配有出气管(4)，可以将实验过程中产生的废气排出炉体外，所述刚玉炉管(6)外加一个炉盖(5)，用于使炉内形成密闭的空间，防止通入的氩气大量逸出，所述刚玉炉管(6)置于炉体中央，是主要的反应空间。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，管式炉设有加热用的钼丝线圈(7)，所述管式炉的加热温度范围在0～1750℃，并且在炉内可以形成一段100mm的恒温区。

3.一种评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的试验方法，基于上述权利要求1-2之一所述的试验装置，其特征在于，所述方法先使得碱金属在高温变成气态，进行保温使得碱蒸气能充分沿着孔隙进入耐火材料内部，然后进行降温，碱蒸气在耐火材料里面进行液化，进行保温，让反应充分进行，另一方面，实验过后，增加质量变化率、体积变化率、EDS分析的表征方法，综合评价耐火材料的抗碱性的优劣。

说明书

一种评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的试验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于耐火材料领域，具体涉及一种评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的试验装置及方法。
技术背景

[0002] 高炉炉缸的长寿对高炉长期稳定运行起着至关重要的作用，在高炉炉缸破损的诸多因素中，碱金属的侵蚀是一个重要的影响因素，这在国内外大量的高炉破损调查中已经
得到了充分验证。在炉缸中，碱金属主要通过对炭砖等耐火材料进行渗透造成侵蚀，严重时
在高炉内形成脆化层。为了选用抗碱性能好的耐火材料，必须选用一种方法对耐火材料进
行评价，通过切实有效的数据进行对比分析。

[0003] 目前对于耐火材料抗碱性测定的方法，中钢集团耐火材料研究院等起草了GB/T 14983—2008国家标准，即《耐火材料抗碱性实验方法》。它是从耐火砖内切出20mm左右大小
的立方体，对各个面进行打磨并用游标卡尺测量尺寸，然后将木炭、碳酸钾和试样放入坩埚
中，通过坩埚盖进行连接，往炉内通入氮气后升温到1100℃保温30h，实验结束后观察耐火
砖的宏观形貌和微观形貌，测定耐火砖的抗压强度变化率。但是该方法存在以下缺点：(1)
国标中的试验方法是通过碱蒸气与耐火材料的反应评价耐火材料的抗碱金属性能，但是通
过热力学分析可知，在高炉炉缸中，碱蒸气并不会直接和耐火材料发生反应，而是扩散到耐
火材料内部后被液化后才能与耐火材料反应形成新相，国标的方法与高炉内实际情况严重
不符；(2)实验结束后，国标中仅仅从宏观形貌、微观形貌、抗压强度变化率进行表征，表征
手段太少，不能够综合评价耐火材料抗碱性的优劣，应该增加质量变化率、体积变化率，EDS
分析等手段来全面评价耐火材料抗碱性能优劣。

[0004] 以往的观点认为高炉内碱金属对耐火材料的侵蚀是通过碱金属气体与耐火材料反应进行的，因此我们对K蒸气与炭砖的反应进行了热力学分析。炉内K蒸气在炉内反应
K2O、K2CO3

[0005] 蒸气在炉内反应K2O、K2CO3。 ΔG2＝-213800+152.16T+RTln(1/((Pk/Pθ)2×(Pco/Pθ)3)，当T＝750℃时，上式反应的临界K蒸
气分压为52.7KPa和16.2KPa，这在实际高炉中是不可能发生的，因此K蒸气不会直接与耐火
材料反应破坏耐火材料。根据克劳佩龙-克劳修斯方程计算钾蒸气在高压条件下的液化条
件，可知钾蒸气在炉缸高压条件下，可在低于932℃的条件下液化。由此我们再对液态钾与
耐火材料的反应进行热力学分析，温度为750℃时，对于液态钾与耐火材料生成白榴石、钾
霞石等的反应，它们的ΔG＜0，表明该反应可以发生。因此可以得出结论，碱金属在炉内被
还原形成碱金属蒸气，碱蒸气不会直接和耐火材料发生反应，而是通过缝隙渗入砖衬，在高
炉炉缸冷却的作用下，碱蒸气开始液化并不断富集，然后与CO等物质形成新相后开始膨胀。

发明内容

[0006] 本发明在国标用碱蒸气法测定耐火材料抗碱性的不足上，提出了一种模拟高炉内部实际情况耐火材料抗碱性测定的新方法。

[0007] 一种评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的试验装置，包括气瓶、进气管、转子流量计、出气管、炉盖、刚玉炉管、钼丝线圈、双层坩埚、热电偶、FP93表、电压表、电流表、指示灯、
操作键、导线；

[0008] 所述的气瓶充满了高纯氩气，进气管一端连接着高纯氩气，另一端连接着管式炉，中间用转子流量计控制流量；

[0009] 管式炉上部加上炉盖，中间钻一个小孔，接上出气管，以便实验过程中废气的排出；

[0010] 所述的刚玉炉管位于炉中央，是进行反应的主要空间，外围是钼丝线圈，是升温的主要元件；

[0011] 所述的双层坩埚，置于刚玉炉管中心部位，坩埚下部配有热电偶实时监控温度；

[0012] SRS13A精密温度控制仪包括所述的FP93表、电压表、电流表、指示灯、操作建、导线，通过导线连接到炉下部，全自动化准确控制炉体的升温、恒温、降温操作，升温温差不大
于5℃；

[0013] 所述的双层坩埚，坩埚和坩埚盖通过螺纹进行连接，里面放有多孔垫片，用来放置耐火材料。

[0014] 本发明的有益成果是一方面是针对高炉内部的实际情况，对碱金属在炉内的行为进行热力学分析，开发出新的评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的实验方法。首先使得碱金
属在高温变成气态，进行保温使得碱蒸气能充分沿着孔隙进入耐火材料内部，然后进行降
温，碱蒸气在耐火材料里面进行液化，进行保温，让反应充分进行。另一方面，实验过后，增
加质量变化率、体积变化率、EDS分析等更多的表征方法，综合评价耐火材料的抗碱性的优
劣。通过本发明可以对高炉用耐火材料的选取提供十分有效的指导性意见。

附图说明

[0015] 图1为本发明中所述试验装置的结构图；

[0016] 图2为本发明中所述双层坩埚结构图；

[0017] 其中，1－气瓶；2－进气管；3－转子流量计；4－出气管；5－炉盖；6－刚玉炉管；7－钼丝线圈；8－双层坩埚；9－热电偶；10－FP93表；11－电压表；12－电流表；13－指示
灯；14－操作建；15－导线，81－坩埚主体；82－坩埚盖；83－多孔垫片。
具体实施方案

[0018] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0019] 如图1所示，本发明提供一种评价耐火材料抗碱金属侵蚀性能的试验装置，所述装置包括气瓶1；进气管2；转子流量计3；出气管4；炉盖5；刚玉炉管6；钼丝线圈7；双层坩埚8；
热电偶9；FP93表10；电压表11；电流表12；指示灯13；操作键14；导线15。所述的气瓶1贮藏着
高纯氩气，通过进气管2、转子流量计3与管式炉相连，转子流量计3接在气瓶1与管式炉中
间，对气体进行控流，所述的炉盖5中间钻一小孔，孔中间透过出气管4，所述的钼丝线圈7是
管式炉的加热元件，分布在刚玉炉管6周围，炉管的恒温区放置着双层坩埚8，底部放有热电
偶9用于测量炉内实际温度，并反映在FP93表10上，所述FP93表10右侧分别为电压表11和电
流表12，用于监测实验过程中的电压和电流，所述FP93表10、电压表11和电流表12下面分别
为指示灯13，反映了操作键14的状态，控制台下部通过导线15与管式炉相连接。实验所用
SRS13A精密温度控制仪包含FP93表10、电压表11、电流表12、指示灯13、操作键14、导线15。

[0020] 2.实验具体操作步骤。

[0021] (1)从一块完整的耐火砖中，随机对耐火材料取样，将耐火材料试样切成边长为15mm的立方体，共三个。然后经过切割、打磨、抛光。要求试样表面平整、棱角分明，无较大破
损。然后将试样放入烘干箱中干燥12h。干燥完成后取出三个试样，用天平对试样质量进行
称量，用游标卡尺对试样长、宽、高进行测定。再将试样放在标尺上进行拍照。

[0022] (2)进行碱金属实验前，首先进行一组空白实验，可以跟后面的实验进行对比。

[0023] (3)对反应前的试样进行常温抗压强度检测、SEM-EDS分析。

[0024] (4)称取0.4423g K2CO3、0.1154g活性碳，称量完成后放在玛瑙研钵中进行混合30min(粒度小于100目)，将试剂放置于75～100℃温度的烘干箱中干燥2～3小时。试剂的含
量按照碱金属含量进行配比，一般使活性炭过量，从而让K2CO3完全反应。

[0025] (5)将试剂放入到双层坩埚中，将它均匀地放置在坩埚底部。再放上多孔的垫片，垫片上面放置三个耐火材料试样。再将坩埚盖通过螺纹和坩埚连接。

[0026] (6)开启氩气气瓶，设置流量计为2.0l/min，通60min氩气对炉内进行吹扫，这可以使氩气充满炉内，防止前期温度较低时坩埚被氧化。

[0027] (7)将双层坩埚放入到刚玉炉管中，使其放置在中间位置，防止管侧壁粘接。

[0028] (8)开启SRS13A精密温度控制仪，设置温度程序，升温速率和降温速率均设为5℃/min。第一步，从0℃升温至300℃，升温时间是60min，PID值为1；第二步，从300℃升温至1200
℃，升温时间是180min，PID值为3；第三步，1200℃保温，保温时间120min，PID值为3；第四
步，从1200℃降温到750℃，降温时间是90min，PID值为1；第五步，750℃保温，保温240min，
PID值为2；第六步，从750℃降温到300℃，降温时间是90min，PID值为1；第七步，从300℃降
温到0℃，降温时间是60min，PID值为1，然后将剩下的33步温度设为0℃，时间为0min。程序
设置完成后，对设定的程序进行检查。

[0029] (9)启动加热键。将流量计设为1.0l/min，2min后，长按RUN键3～5s启动管式炉。

[0030] (10)实验结束后，停止通气，将样品取出，关闭管式炉。

[0031] (11)对试样进行清扫，清除表面的灰。用天平对试样进行称量、用游标卡尺对试样尺寸进行测定，将试样放置在标尺上进行拍照。

[0032] (12)观察试样反应前后的宏观形貌变化，计算试样反应前后的质量变化率、体积变化率，也可以变化不同碱金属含量，观察它们变化的曲线，分析反应后试样是增重还是减
重，同时验证是否和热力学分析结果一致。

[0033]

[0034]

[0035] (13)将其中一个试样做抗压强度检测，计算反应前后抗压强度变化率，可以知道碱金属对耐火材料抗压强度的破坏程度。

[0036]

[0037] (14)将其中一个试样制成电镜试样，进行SEM-EDS分析，观察反应后试样的微观结构，通过EDS分析反应形成的物质，并进行线扫描观察碱金属从外到内的分布，面扫描观察
整个面内碱金属的分布，以此明晰碱金属对耐火材料的侵蚀机理及对结构的破坏程度。

[0038] 以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的理念和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围内。