我国是富煤贫油少气的国家,天然气供需矛盾日益突出。煤催化气化技术作为煤洁净高效利用的重要方式,是煤制天然气的高效气化技术之一,通过在温和条件(温度650-750℃、压力3.0-4.5MPa)下生成富含甲烷的合成气,可有效促进煤炭清洁利用并缓解天然气供需矛盾。作为该技术的核心设备,气化炉内部工况复杂,不仅面临高温(650-750℃)、高压(3.0-4.5MPa)的运行环境,还因煤种多样、品质差异及碱金属催化剂的添加,易引发高温氧化、硫化、氢化及碱腐蚀等多重侵蚀问题,对炉内衬材料的性能提出严苛要求。
内衬耐火浇筑材料的性能直接决定气化炉的使用寿命与运行稳定性。研究表明,气化炉内的复杂腐蚀环境会显著缩短耐火材料寿命,进而影响高温装置的长周期稳定运行,因此耐火材料的选择与性能优化成为煤催化气化技术工业化应用的关键瓶颈。在环保趋势日益强化的背景下,耐火材料行业正朝着“节能、环保、长寿、轻量化、无铬化”方向发展。传统含铬耐火材料(如镁铬砖)使用后残留的六价铬易渗入地下水造成严重污染,而无铬化技术通过材料创新已实现使用寿命从初期不足9个月提升至12个月以上,既能满足生产需求,又可避免重金属污染风险,成为煤催化气化炉用耐火材料的必然发展趋势。
煤催化气化炉的工作环境极为苛刻,对耐火浇筑材料构成多重损伤威胁,主要体现在高温与热应力破坏、熔渣化学侵蚀、机械冲刷及复杂气氛腐蚀等方面。
在高温与热应力方面,气化炉工作温度通常处于1200℃-1600℃范围,部分关键区域(如火焰中心)温度可高达1700℃,且开停车及操作过程中存在显著的温度波动,导致材料频繁承受剧烈热冲击,易产生热应力裂纹。
熔渣化学侵蚀是另一主要损伤机制。炉内反应生成的液态熔渣成分复杂,含Si、Al、Ca、Fe及微量金属盐类,其组成随煤种变化而波动;同时,气化过程中产生碱性(Na₂O、K₂O)、酸性(SiO₂)等气氛,熔渣与这些腐蚀性介质协同作用,通过化学反应溶蚀耐火材料基质,破坏材料结构完整性。
机械冲刷作用同样显著。高压(2~8.5MPa)环境下,高速气流携带煤粉、灰渣等固体颗粒物持续冲刷炉衬表面;液态熔渣在重力及气流驱动下沿炉壁流动,对衬体形成强烈的动态冲刷,尤其在锥底等流场复杂区域,磨损与冲刷更为严重。
此外,炉内还存在复杂气氛腐蚀。还原性(H₂、CO)、氧化、硫化、氢化等多气氛并存,部分工艺因采用高碱金属煤种或添加碱金属催化剂,进一步引入碱腐蚀问题,多因素协同加剧材料的化学损伤。
上述高温、化学侵蚀、机械冲刷及热应力等因素的综合作用,对煤催化气化炉用耐火浇筑材料的耐高温性、化学稳定性、力学强度及热震稳定性提出了极高要求。
煤催化气化炉的高温、高压、多相反应及熔渣冲刷等复杂工况,对耐火浇筑材料的性能提出了严苛要求。核心性能指标的确定需结合工况特征,优先保障材料在极端环境下的结构完整性与服役寿命,主要包括以下关键方面:
高温热阻性能是材料减少炉内热量向外传递、维持炉体温度场稳定的基础,要求材料在内部40毫米至200毫米温差下可承受约1000℃的温度梯度。同时,高温力学性能直接决定材料抵抗气体和熔渣冲刷磨损的能力,具体表现为高温耐压强度、抗折强度及耐磨性。例如,轻质浇注料在110°C烘干后需满足耐压强度≥2.2-5MPa、抗折强度≥0.7-1.5MPa(SH/T 3115-2000标准),而SiC耐火材料则需具备高强度以应对高压合成气中水蒸气及H₂的磨损侵蚀。
气化炉运行中频繁的温度波动(短时间内数百度突变)要求材料具备优异的热震稳定性,以承受热应力导致的微裂纹并阻止其蔓延。同时,高温体积稳定性(如重烧线变化率)需严格控制,避免因塑性变形或开裂导致炉衬破坏。例如,轻质浇注料在815°C烧3h后的烧后线变化需控制在<0.4-0.55%,热盾毯在600°C×12h下的永久线变化应维持稳定。
材料需在氧化-还原交替气氛及熔渣侵蚀下保持化学稳定性,尤其需具备高抗熔渣侵蚀性和渗透性。低气孔率、高单位体积质量是提升抗渣性的关键,可有效阻止熔渣渗透与化学反应。对于含碱催化剂的工况,抗碱侵蚀性需作为核心指标单独评估,以避免催化剂与材料发生化学反应导致结构劣化。
现有标准(如SH/T3115-2000)已对耐火浇筑材料的关键指标进行量化规定,部分典型技术参数如下:
轻质浇注料技术指标(标准号:SH/T3115-2000)
| 种类 | Q-1.2 | Q-1.0 | Q-0.9 | Q-0.8 | Q-0.7 |
|---|---|---|---|---|---|
| 体积密度(kg/m³)(110°C下烘干16h) | <1200 | <1000 | <900 | <800 | <700 |
| 耐压强度(MPa)(110°C烘干16小时) | ≥5 | ≥4 | ≥3 | ≥2.6 | ≥2.2 |
| 抗折强度(MPa)(110°C烘干16小时) | ≥1.5 | ≥1.3 | ≥1.0 | ≥0.8 | ≥0.7 |
| 烧后线变化(%)(815°C烧3h) | <0.4 | <0.45 | <0.5 | <0.5 | <0.55 |
| 350°C导热系数(W/m.k) | <0.3 | <0.25 | <0.23 | <0.21 | <0.17 |
| 最高使用温度(°C) | 1200 | 1100 | 1000 | 900 | 800 |
热盾毯技术指标
| 项目 | 单位 | RD-600 | RD-1000 |
|---|---|---|---|
| 体积密度 | Kg/m³ | 200±20 | 200±20 |
| 永久线变化(600°C×12h) | % | - | - |
| 氯离子含量 | PPM | <15 | <15 |
| 体积吸水率 | % | <3 | <3 |
| 热面温度200°C导热系数 | W/m.k | <0.015 | - |
| 热面温度600°C导热系数 | W/m.k | <0.06 | - |
| 最高使用温度 | °C | 650 | 1000 |
| 长期使用温度 | °C | 500 | 850 |
| 材质 | - | 粘土质 | 高铝质 |
综合来看,煤催化气化炉用耐火浇筑材料的性能评价需以高温热阻、抗侵蚀性、热稳定性为核心,结合具体工况(如催化剂类型、操作温度压力)量化指标优先级,同时参考现有标准建立系统化的测试与评估方法。
传统含铬耐火材料以Cr₂O₃为核心成分,常与氧化铝、氧化锆或氧化镁等复合,在高温工业领域曾占据重要地位,尤其在水煤浆气化炉等苛刻环境中得到应用。其性能优势主要体现在以下方面:一是优良的抗渣侵蚀性,Cr₂O₃在煤熔渣中溶解度低、润湿性差,溶解后可增加熔渣黏度并形成保护层,同时材料显气孔率低(如高铬质材料气孔率小于16%)、常温耐压强度高(可达120MPa以上,部分甚至超过200MPa),抗冲刷性能优异。二是高温性能突出,Cr₂O₃(约2400℃)、Al₂O₃(约2050℃)、ZrO₂(约2700℃)均具有高熔点,高温下可形成铝铬固溶体,赋予材料良好的热态稳定性和抗低温蠕变性能,例如水煤浆加压气化炉常用的Cr₂O₃-Al₂O₃-ZrO₂材料(Cr₂O₃质量分数85%~90%)即依托此特性。三是抗热震与抗剥落性较好,ZrO₂的相变增韧作用可进一步改善材料的抗热剥落能力。此外,镁铬砖(MgO-Cr₂O₃)还具有抗碱性熔渣侵蚀和抗剥落性强的特点,曾被用作气化炉炉衬材料。
然而,传统含铬材料存在显著的环保短板,其核心问题在于六价铬(Cr⁶⁺)的生成与危害。在高温和碱性使用环境下(如与Na₂O、K₂O、CaO等强碱性氧化物共存时),材料中的Cr³⁺易被氧化为Cr⁶⁺。Cr⁶⁺是国际公认的致癌物,对人体健康危害极大,且易溶于水;同时,Cr₂O₃可能以气相形式随烟气排放,造成空气污染;使用后的残砖中,K₂CrO₄、CaCrO₄等可溶性铬酸盐易随雨水渗透至地下,污染水资源。
在水煤浆气化炉应用中,尽管高铬砖、铬刚玉砖等含铬材料凭借上述性能优势曾得到应用,但其环保短板已成为突出的应用局限性。随着环保法规趋严及无铬耐火材料技术的发展,传统含铬材料因六价铬污染问题逐渐被无铬材料取代,例如水泥回转窑领域已出现无铬碱性耐火材料寿命超越镁铬质材料的案例,这一趋势同样对水煤浆气化炉用含铬材料的应用构成限制。
刚玉-尖晶石体系作为无铬氧化物耐火材料的典型代表,其性能提升主要依赖于微裂纹增韧与固溶体形成的协同作用。刚玉相(Al₂O₃含量≥90%,主晶相为α-Al₂O₃)具有热力学强度高、化学稳定性优异及抗热震性良好等特性,而镁铝尖晶石相则可通过引入微裂纹缓解热应力,显著提升材料的抗热震稳定性。同时,刚玉与尖晶石之间可形成固溶体结构,抑制高温下低熔点物相的生成,例如在抗碱侵蚀实验中,镁铝尖晶石线变化率可控制在±2%范围内且无新物相产生,从而增强材料的化学稳定性。
在煤催化气化炉的适用性方面,刚玉-尖晶石体系展现出显著优势。该体系继承了刚玉材料对高温环境(如燃烧室、喷嘴区域)的适应性,在氧化性气氛下性能稳定,且具备较强的抗渣蚀能力。同时,尖晶石相赋予材料优异的抗氯、抗硫侵蚀能力,可有效应对气化炉内复杂的腐蚀性气体环境。实际应用中,刚玉-尖晶石复相材料已成功取代传统含铬耐火材料,其抗渣侵蚀性能与含铬材料相当,而抗热震性和抗渣渗透性能更优,例如在透气砖、钢包座砖等产品中的推广应用已验证其可靠性。综合性能及无铬化趋势,刚玉-尖晶石体系有望成为煤气化炉内衬无铬化的基础材料。
六铝酸钙(CaAl₁₂O₁₉)是氧化铝-氧化钙系统中Al₂O₃含量最高的高熔点铝酸钙相,其独特的物化特性使其在煤催化气化炉用耐火浇筑材料中具有重要应用潜力。该材料在含铁熔渣中溶解度低,对还原气氛不敏感,且在碱性环境下化学稳定性良好,同时对熔渣的润湿性较低,这些特性共同赋予其优异的抗渣侵蚀能力。此外,CA6具有板片状晶体结构,这种结构能使材料内部裂纹扩展路径曲折,从而有效提高其热震稳定性。
在实际应用中,CA6可作为骨料或细粉引入耐火浇筑料体系。研究表明,含CA6骨料与细粉的无硅灰浇筑料在高温下体积稳定性优异,线变化率可控制在±1%以内,且荷重软化温度较高。通过优化CA6颗粒的铝酸钙水泥结合刚玉-尖晶石浇注料,能够增强颗粒与基质之间的结合强度,进一步提升材料的热震稳定性。上述特性使得CA6材料在苛刻的煤催化气化环境中展现出良好的应用前景。
碳化硅基材料作为无铬材料中的非氧化物材料代表,是煤催化气化炉无铬化耐火材料研究的重要方向之一。其在激冷室等还原性气氛区域展现出显著的应用优势,主要源于优异的综合性能:具有高强度、高硬度和高耐磨性能,能够耐受高温和高压力的气体流动,同时具备良好的热震稳定性和抗渣侵蚀性。例如,在干煤粉水冷壁气化炉中,SiC耐火材料被广泛用作主要内衬材料,敷设范围广且使用量占SiC耐火材料总量的一半以上,其作用包括防止膜式壁磨损与腐蚀、缓冲较大热冲击以及控制水冷壁吸热量以维持气化室内温度场稳定。此外,碳化硅砖适用于炉内高温部位(如辐射区和热交换区),高导热性进一步增强了其在高温环境下的适用性。
然而,碳化硅基材料在应用中存在一定局限性。其耐高温性能虽良好,但在氧化气氛中易遭受毁坏,因此更适用于气化炉下部等还原性气氛区域;若用于炉底,沉积的重油灰分中的碱性金属氧化物可能对其产生不利作用。同时,较高的成本以及在氧化性气氛下的不稳定性(如美国严禁在循环流化床锅炉中选用碳化硅耐材)也限制了其更广泛的应用。
搅拌与振捣是煤催化气化炉用耐火浇注料施工的关键环节,直接影响材料的均匀性、密实度及最终性能,其施工连续性对避免分层缺陷具有重要意义。为确保施工质量,需建立“搅拌-振捣”全流程质量控制体系。
在搅拌工艺方面,应根据材料特性选择适宜的搅拌设备及参数。耐火浇注料宜采用强制式搅拌机搅拌,特殊材料可选用行星式高速混练机,如按质量份数称量原料后,先投入行星式高速混练机内低速混练(60rpm,3~6min),再加入结合剂高速混练(120rpm,20~30min,温度40~55℃)以获得均匀泥料。搅拌前需确保机具清洁,变更用料牌号时,必须清洗搅拌机具、料斗和称量容器。搅拌过程中,应先进行干混以保证物料均匀,再缓慢加水湿混,具体混合时间需严格按照产品使用说明书或厂家提供的书面资料执行,严禁长时间搅拌。冬期施工时,强制搅拌机转速宜控制在23-26转/分钟,先干混2-3分钟,再加水湿混3-5分钟,加水量应根据气温、湿度及流动性灵活调整,遵循“宜少不宜多”原则,防止出现假凝现象。搅拌好的耐火浇注料需在规定时间内完成浇注,一般应在30分钟内,冬期施工时从加水到施工完成需控制在15分钟内,已初凝的浇注料严禁使用。
振捣工艺需确保浇注料密实,避免离析、孔洞等缺陷。振捣机具宜选用振动棒或平板振动器,使用振动棒时,浇注层厚度不应超过振动棒工作部分长度的1.25倍;使用平板振动器时,厚度不应超过200mm。隔热耐火浇注料因特性特殊,宜采用人工捣固,若采用机械振捣需严格控制参数,防止离析和体积密度异常增大。振捣操作中,应避免漏振、在同一位置久振或重振,倒入模内的浇注料需立即振实,可通过振动棒轻微敲击模板侧壁以消除气泡。施工中需配备备用振动棒,以防故障影响振捣连续性。
施工连续性是避免分层缺陷的核心控制要点。耐火浇注料部件浇注需一次性连续施工,严禁中断,施工后不得进行二次抹面找平。对于较大炉膛施工,应采用2-3台搅拌机连续作业,确保物料供应不间断。若因特殊情况无法连续施工,需采取延缓材料凝固的措施,并在8-10小时内完成继续施工的生产准备,以最大限度减少分层风险。
养护是确保煤催化气化炉用耐火浇注料水化反应充分及强度正常发展的关键环节,尤其在冬期施工时需采取针对性措施以保障施工质量。冬期施工条件下,水泥基耐火浇注料的工作地点及内衬周围环境温度必须保持在5℃以上,这是维持水化反应持续进行的基础,若温度过低会导致水化反应速率显著降低甚至停滞,进而影响材料强度的正常发展。同时,防冻措施需贯穿养护全过程,耐火材料在自然养护前严禁冻结,浇注料初凝后应及时进行湿润养护,养护温度宜控制在10~35℃,以促进水化产物的生成与累积,确保材料强度稳步增长。此外,承重模板的拆除需严格遵循强度要求,必须在耐火浇注料达到设计强度的70%以上后方可进行,以避免早期受力导致结构损伤。
烘炉是耐火浇注料施工后期排除水分、保障内衬结构稳定性的核心工序。其主要目的是通过严格控制升温曲线,使材料中含有的水分完全转化为水蒸气缓慢逸出,防止炉子点火运行后因内衬材料中残留水分急剧蒸发产生的水蒸气压力超过材料拉伸强度,从而引发衬里分层、崩溃甚至整体塌落。不同结合剂的耐火材料烘炉要求存在差异:以水泥和水为结合剂的浇注料需进行专门烘炉,且需严格遵循预设升温曲线,烘炉时间较长;而以磷酸盐为结合剂的捣打料(可塑料)通常仅需自然养护及射灯照射至指定温度即可,无需高温烘炉。实际操作中,用户需根据浇注料的具体牌号、衬体厚度及现场气候条件,合理规划并提供足够的烘烤时间,确保水分彻底排除,避免因水分快速蒸发导致的爆裂现象。
国内针对耐火材料的标准体系主要包括国家标准、行业标准及企业标准,其中企业标准通常较国标、行标更为严格。在性能指标测试方法方面,已形成较为完善的标准体系,涵盖体积密度、显气孔率、抗折强度、耐压强度、荷重软化温度、热震稳定性等关键性能的检测。
以热震稳定性这一重要性能指标为例,国内现行标准中存在两种主要测试方法:一是YB/T376.1-1995《耐火制品抗热震性试验方法(水急冷法)》,二是YB/T376.2-1995《耐火制品抗热震性试验方法(空气急冷法)》。两种方法的核心差异在于冷却介质的不同:水急冷法采用水作为冷却介质,利用水的高导热性实现快速降温;空气急冷法则以空气为冷却介质,冷却速度相对较慢。由于冷却速率直接影响材料内部热应力的产生与释放过程,水急冷条件下材料所承受的热冲击更为剧烈,可能导致其热震稳定性测试结果(如抗热震次数)低于空气急冷法。因此,不同测试方法下的检测结果不具备直接可比性,实际应用中需明确所采用的标准方法,以确保数据的准确性和一致性。
此外,其他性能指标如常温耐压强度、荷重软化温度等也有对应的国家标准,例如GB/T5072-2008《耐火材料常温耐压强度试验方法》、GB/T5989-2008《耐火材料荷重软化温度试验方法(示差升温法)》等,这些标准为耐火材料性能的规范化检测提供了技术依据。
煤催化气化炉用耐火浇筑材料的关键性能检测需综合考量材料在高温、化学侵蚀及热循环等复杂工况下的表现,检测条件(如升温速率、保温时间、荷载水平等)对结果的准确性和相关性具有显著影响。以下从检测条件影响分析及模拟实际工况的加速老化测试方案两方面进行阐述。
耐火浇筑材料的性能检测结果受多种试验条件参数调控,具体表现为:
温度与保温时间:重烧线变化率需通过高温处理后测定体积或尺寸变化,例如轻质浇注料在815℃烧3h的烧后线变化测试,保温时间不足可能导致材料内部矿物相转化不完全,高估线变化率;高温抗折强度测试(如1600℃×30min)中,保温时间直接影响材料的高温力学性能稳定性,延长保温可能加剧晶相长大或玻璃相析出,降低强度。
荷载水平:荷重软化温度测试中,不同材料类型需匹配特定荷载,如致密定形耐火材料加载0.2MPa,致密不定形加载0.1MPa,隔热材料加载0.5MPa,荷载偏差会导致软化温度判定结果偏移。
升温速率与循环参数:热震稳定性测试通过加热-冷却循环评估,采用水急冷法(YB/T 376.1-1995)或空气急冷法(YB/T 376.2-1995)时,升温速率过快易引发试样内部热应力集中,导致裂纹过早产生,与实际工况的缓慢温度变化存在差异。
试样状态与预处理:体积密度、耐压强度等参数需严格控制预处理条件,例如轻质浇注料需经110℃烘干16h后测试,烘干不充分会因水分残留导致体积密度虚低、强度 测试结果失真。
为真实反映耐火浇筑材料在煤催化气化炉内的服役行为,需设计融合高温、化学侵蚀、热机械应力的加速老化测试方案:
高温-荷载-时间耦合测试:基于高温蠕变检测(恒定温度下测定25h、50h、100h变形),引入气化炉典型操作温度(如1300-1600℃)和恒定荷载(模拟炉内压力),通过延长测试时间(如500h)或提高温度(如1650℃)实现加速老化,评估材料长期蠕变趋势。
复合介质侵蚀测试:采用1600℃静态坩埚法抗渣实验,以煤催化气化过程中的实际煤渣(含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等成分)为侵蚀介质,通过测定侵蚀指数和渗透指数,结合扫描电镜分析界面反应层厚度,模拟熔渣对材料的化学侵蚀与渗透。
热震-机械疲劳循环测试:参考热震稳定性检测方法,优化循环参数:升温速率控制在5-10℃/min(接近实际工况),最高温度1500℃,保温1h后采用强制空气急冷(模拟炉内温度波动),循环50-100次后测定抗折强度保留率和弹性模量变化,评估材料的热疲劳寿命。
多性能综合退化评估:结合导热系数(热线法,GB/T 5990-2006)、体积密度(GB/T 2997-2000)及常温/高温耐压强度(GB/T 5072-2008、YB/T 2208-1998)等标准方法,在加速老化前后进行全参数测试,构建性能退化曲线,实现对材料服役寿命的预测。
通过上述检测条件优化与加速老化方案,可系统评估耐火浇筑材料的关键性能,为其在煤催化气化炉中的应用选型与寿命预测提供科学依据。
| 测试类型 | 核心方法 | 加速方式 | 评估指标 | |
|---|---|---|---|---|
| 高温-荷载-时间耦合测试 | 高温蠕变检测 | 延长至500h或升温至1650℃ | 长期蠕变趋势 | |
| 复合介质侵蚀测试 | 1600℃静态坩埚法+实际煤渣(SiO₂/Al₂O₃/Fe₂O₃) | 提高熔渣侵蚀强度 | 侵蚀指数/渗透指数/界面反应层厚度 | |
| 热震-机械疲劳循环测试 | 优化热震参数(5-10℃/min升温→1500℃保温1h→强制空气急冷) | 增加至50-100次循环 | 抗折强度保留率/弹性模量变化 | |
| 多性能综合退化评估 | 导热系数(GB/T 5990)+体积密度(GB/T 2997)+耐压强度(GB/T 5072/YB/T 2208)联合 | 加速老化前后全参数对比 | 性能退化曲线 |
无铬耐火材料在高温工业窑炉中的应用已在水泥、钢铁等领域取得显著进展,但在煤化工领域的应用仍存在明显缺口,尤其缺乏针对煤催化气化炉的系统性应用案例及寿命预测模型研究。
在水泥工业领域,无铬材料的替代应用较为成熟。采用镁铁尖晶石砖取代镁铬砖,应用于4.8×72m回转窑烧成带,使用寿命超过预期且未因耐火材料失效引发停窑故障。
相比之下,煤化工领域的无铬材料应用案例较为有限。目前,针对煤催化气化炉高温、高压、强腐蚀环境的无铬材料寿命预测模型尚未见系统性研究,无法为材料选型、维护周期制定及服役安全性评估提供理论支撑,这一缺口成为制约无铬材料在煤催化气化炉中规模化应用的关键瓶颈。
煤催化气化炉用耐火浇筑材料的主要失效过程可通过“侵蚀-渗透-剥落”的连锁模型进行系统描述。该模型基于材料在复杂服役环境下的物理化学变化及微观结构演变,具体表现如下:
侵蚀阶段是失效的起始环节,主要由化学侵蚀、机械冲刷及高温热负荷共同作用引发。化学侵蚀方面,熔渣中的Na₂O、B₂O₃等成分易与耐火材料组分反应生成低熔点化合物(如Na₂O∙11Al₂O₃、Al₂O₃∙B₂O₃),导致材料结构劣化;碱金属(如钾)的蒸发-凝聚循环会在耐火砖缝隙处富集,引发砖衬腐蚀与开裂。富钾生物质渣的侵蚀过程可进一步细分为初期接触反应、深入侵蚀扩散及结构破坏三个阶段,伴随化学组分变化与矿物相转变。机械冲刷则源于含尘气体碰撞、钢水循环流动及熔渣冲刷,导致材料表面磨损,尤其在流化床气化炉中易引发内衬片状脱落。此外,高温(如1700℃)会导致材料软化,降低其抗侵蚀能力。
渗透阶段是侵蚀作用向材料内部扩展的关键过程。在化学侵蚀与机械冲刷的协同作用下,熔渣、碱金属蒸气及腐蚀性气体(如H₂、H₂O)易沿材料孔隙或微裂纹渗入内部。例如,熔渣渗入砖体后与内部组分持续反应,形成低熔点相并填充孔隙,破坏材料原有结构完整性;碱金属在缝隙处的富集会加剧渗透通道的扩展,进一步降低材料致密性。同时,高温热负荷导致的材料软化也会促进渗透介质的扩散速率。
剥落阶段是失效的最终表现,由热应力、结构劣化及机械作用共同驱动。温度梯度、膨胀系数差异及频繁开停车(温差可达1100℃以上)会产生剧烈热震冲击,导致材料内部裂纹萌生与扩展。化学侵蚀与渗透作用已使材料结构性能显著降低,热力学侵蚀及机械侵蚀的叠加会进一步加剧耐磨性能的退化,最终导致材料以片状、块状形式剥落,甚至引发整体崩溃。此外,操作不稳定(如超温、压力剧变)、煤种波动及砌筑质量缺陷等因素会加速剥落进程,缩短材料使用寿命。
综上所述,煤催化气化炉用耐火浇筑材料的失效是侵蚀、渗透、剥落多阶段协同作用的结果,涉及化学、物理及机械等多方面因素,需通过微观结构分析(如扫描电镜观察腐蚀界面产物)深入揭示其内在机制。