镁铬砖的主要用途

镁铬砖具有耐火度高、高温强度大、抗碱性渣侵蚀性强、热稳定性优良等优点，对酸性渣也有一定的适应性，被广泛应用于水泥窑烧成带，钢水精炼RH炉下部槽、环流管等关键部位，各类炼铜炉衬等。下面分别对其服役环境及损毁情况进行介绍，并展望其在高温新装备方面的应用前景。 

1、水泥回转窑 

回转窑生产水泥熟料已有一个多世纪的历史，20世纪80年代初，水泥回转窑技术基本定型。目前新型干法窑是主流的生产技术，其烧成温度在1450℃左右，窑内燃烧气体温度可达1700℃以上，甚至接近2000℃。水泥工业用耐火砖约占全部耐火砖的13%。耐火砖作为水泥烧成过程中不可或缺的内衬材料，也是第二代新型干法水泥工艺的物质支撑条件，其中烧成带用耐火砖尤为重要。硅酸盐水泥的主要矿物成分为CaO·SiO2、3CaO·Al2O3与4CaO·Al2O3·Fe2O3，水泥窑的关键部位过渡带与烧成带最适宜的耐火砖只能是碱性镁质耐火砖，如图1所示。过去烧成带普遍使用镁铬砖，镁铬砖能够抵抗水泥组分的侵蚀，来自水泥熟料的CaO与砖中的Fe2O3反应形成4CaO·Al2O3·Fe2O3，使砖易于粘附熟料;砖释放的Cr2O3又有稳定窑皮中2CaO·SiO2的作用，因而铬铁矿对提高碱性耐火砖的耐火性、抗侵蚀、抗热震和挂窑皮性都有重要作用。烧成带处于高温化学气氛中，炉料温度为1400~1500℃，伴随有熔融液体产生，耐火砖通常被原料包覆，再加上窑体的转动，所以窑皮经常剥落。呈熔融状态的水泥原料与砖之间发生反应以及熔融液体渗透到砖内，造成熔损及结构剥落，过渡带也大致如此。 

奥地利的Olbrich、德国波恩耐火公司及雷法公司的Kun-neck等认为，镁铬砖在水泥回转窑中会受到一系列的热应力、机械应力和化学侵蚀等综合作用;镁铬砖中的温度梯度会导致热应力局部集中，容易引起裂纹。机械应力引起的侵蚀有:砖与熟料的相对移动导致的磨损、椭圆度引起的窑壳变形、沟槽形成引起的剥落，侵蚀作用包括熔融侵蚀、液相侵蚀、过热负荷、碱盐的渗透、熟料的侵蚀、还原作用引起铁的变价导致结构剥落等。Qotaibi等分析了水泥回转窑烧成带用后镁铬残砖，发现镁铬砖热面与挂渣层界面中无Mg-SiO4和Mg(Al1.5Cr0.5)O4，水泥熟料中的3CaO·SiO2、2CaO·SiO2和3CaO·Al2O3已经渗入热面中，同时检测到有Cr6+形成。云斯宁等研究认为，水泥熟料侵蚀引起的结构剥落主要发生在镁铬砖的热端，而水泥熟料液相和碱盐(由水泥原料及燃料中的钾、钠、硫、氯化合物形成)在高温下的侵蚀渠道均为直接结合镁铬砖的开口气孔。因此，降低直接结合镁铬砖的开口气孔率，可以有效减少其在干法水泥回转窑烧成带上的损毁速度。 

2、RH炉 

RH真空处理装备(以下简称RH炉)是炼钢生产中的一种重要精炼装备，是德国鲁尔(Ruhrstall)公司和海拉尔(Heraeus)公司于1959年联合成功开发的循环真空脱气装备。RH精炼法属于真空循环脱气法的一种，由于具有脱气快、降温少、合金收得率高、冶炼钢种范围广、精炼效果好等特点，迄今已在世界各国钢铁工业得到了广泛应用。RH炉炉体结构从下往上一般分为浸渍管、环流管、下部槽、中部槽(有些RH炉不含中部槽)、上部槽等部分，如图2所示。RH炉用耐火砖主要是高密度的烧成直接结合镁铬耐火砖，其中浸渍管、环流管和下部槽因直接与高速钢水、合金及熔渣接触，使用环境最为恶劣，使用寿命也最短。 

许多研究报道了RH炉用镁铬材料的损毁机理，日本Taikabutsu在1988年和1990年相继报道了RH炉衬某个部位的镁铬耐火砖的异常侵蚀情况。Mosser等描述了RH脱气过程中镁铬砖的损毁机理，主要为以下三个过程:硅酸盐或富含铝酸盐的熔渣向气孔中渗透;熔渣与镁铬砖的基质之间的渗透反应;渗透区的热侵蚀。向非渗透区过渡的致密层容易剥落。尖晶石矿物熔解于耐火砖中，也能侵蚀镁铬砖。Dong等介绍了RH-TOB精炼过程中耐火砖的损毁机理，认为砖中Cr2O3能够与FeO反应形成高熔点尖晶石，但是FeO能够与方镁石晶界中的硅酸盐形成低熔点相，导致方镁石晶粒分离，同时钢液中FeO被CO还原形成铁蒸气后与氧发生反应产生氧化热，促进了MgO和Cr2O3的熔解。 

3、炼铜炉 

镁铬耐火砖在有色冶炼行业高温装备中的应用极为普遍，其中又以铜冶炼行业最具代表性。现代炼铜技术有多种工艺和装备，如诺兰达/特尼恩特工艺、奥斯麦特/艾萨炼铜法、闪速炼铜法、氧气底吹炼铜法和瓦纽科夫/金峰/白银炼铜法。图3为当前技术水平先进的底吹连续炼铜炉，该装备所用耐火砖的配置技术是影响底吹连续炼铜生产效率和产品质量的关键技术之一。 

镁铬耐火砖是目前最适于铜行业冶炼炉用的炉衬材料，一个最主要的原因是镁铬砖对铜行业不同碱度炉渣具有良好的抗侵蚀性。根据炉衬的不同部位和服役环境选择不同类型的镁铬砖，通常渣线位置选择的镁铬砖为电熔再结合，而风口位置选用的镁铬砖为半再结合或是自结合。炼铜炉熔渣量较多，熔渣黏度低，对镁铬耐火砖具有极强的浸润性和渗透性，因此镁铬耐火砖在炼铜炉上使用时渗透变质层较厚，容易出现结构剥落。Cherif等通过模拟研究铜转炉的环境，采用回转抗渣法研究了烧结骨料和电熔骨料制备的镁铬砖抗铁橄榄石渣的侵蚀性能，结果表明，熔渣的侵蚀深度与CaO/Fe2O3比(物质的量比)的相关性较CaO/SiO2比要大，且CaO/Fe2O3比越大，侵蚀愈剧烈。王继宝等对Noranda炉用后风口区的电熔再结合镁铬砖进行了结构分析，认为铜精矿对镁铬砖的侵蚀主要表现为锍的渗透，渗透途径主要是沿砖缝、晶界、气孔和微裂纹，渗入的锍破坏了砖体的组织结构，但其并不与镁铬砖中的氧化物发生反应。同时，在富氧冶炼的条件下，工作面处镁铬砖的损毁是铜渣中的铁氧化物和SiO2与镁铬砖中的低熔物反应生成了熔点更低的液相造成的。随着距工作面距离的增加，镁铬砖的损毁主要表现为锍渗入砖内部，导致砖体的结构剥落和热剥落。邹兴等研究了吹炼铜用FeO-SiO2渣对镁铬砖的侵蚀，发现侵蚀后的镁铬砖明显分为挂渣层、侵蚀区和原砖区。其中，挂渣层主要以镁铁橄榄石和镁橄榄石为基体，尖晶石相分布其中;侵蚀区主要为方镁石富氏体和尖晶石相。 

4、应用前景 

随着高温工艺的不断发展，新技术及新装备不断涌现，镁铬耐火砖在一些新领域仍有一定的应用前景，其也被认为是一些新型高温工业炉用的优选材料，例如熔融还原炼铁(DIOS)是一种新型炼铁工艺，目前，除已实现工业化的熔融还原炼铁技术(COREX)外，HIsmelt和FINEX技术也已开展了工业化应用。由于熔融还原炉中二次燃烧率高、渣中FeO浓度高、碱度低、泡沫渣严重，炉衬耐火砖的寿命较短。李坚强等研究了铁浴式熔融还原渣对镁铬材料的侵蚀，发现当渣中FeO含量由5%增加15%时，镁铬试样的侵蚀量增大，同时温度提高，熔融还原渣对耐火砖的侵蚀加剧。Mon等采用静态浸渍法开展了镁铬材料抗MgO-Al2O3-SiO2-CaO-FetO的侵蚀试验并分析了其蚀损显像结构。XRD结果表明，镁铬砖的主要相组成为方镁石和镁铬尖晶石，次晶相为CaMgSiO4;SEM结果表明，MgCr2O4尖晶石存在于镁铬砖面，熔渣粘附在尖晶石骨料上，在尖晶石和熔渣之间形成了一个反应产物层;透射电镜分析表明，在镁铬尖晶石基质中有(Mg，Fe)(Al，Cr)2O4析出。Mon等和Wang等还采用旋转抗渣法研究了镁铬材料抗MgO-Al2O3-SiO2-CaO-FetO侵蚀的试验，结果发现，当试验进行3个周期时，试样的开孔率从15.3%降至4.0%;当试验延长到9个周期后，开孔率逐渐从4.0%升至4.8%，其中炉渣渗透深度保持在20mm左右，在渗透层内部形成裂纹，侵蚀从MgO的孔隙和裂纹开始，并逐渐减弱。XRD分析表明，渗透层中存在MgO、MgCr2O4和CaMgSiO4相。然而在渗透层边缘以下20~40mm处，发现了较多气孔以及形态异常的MgO颗粒，说明该部位仍然受了微弱的侵蚀，而在距渗透层边缘40mm以外的地方，MgO颗粒形态正常未被侵蚀。上述研究结果为镁铬材料在熔融还原炼铁炉衬中的应用提供了借鉴。