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耐材答疑

金属镁冲刷磷酸盐砖吗

这是一个非常好的问题,它涉及到高温工业应用中具体的化学侵蚀问题。

简单直接的回答是:会的,尤其是在高温条件下,熔融的金属镁会对磷酸盐砖产生显著的化学冲刷和侵蚀作用。

下面我将从机理、影响因素和实际应用三个方面为您详细解释。


侵蚀机理

化学还原反应

磷酸盐砖的主要成分是磷酸(H₃PO₄)作为结合剂,与耐火骨料和粉料(通常为高铝矾土、刚玉、莫来石等)反应生成的磷酸铝、磷酸铬等化合物,形成高温强度。

金属镁(Mg)是一种非常活泼的碱性金属,具有极强的还原性。而磷酸盐(如磷酸铝 AlPO₄)中的磷(P)处于其最高氧化态(+5价),因此是氧化剂

当熔融的镁(熔点约650℃)与磷酸盐砖在更高温度(如800℃以上)下接触时,会发生剧烈的氧化还原反应。镁会抢夺磷酸盐中的氧,将磷还原,其可能的反应过程如下:

  • 主要反应

  • 镁还原磷酸盐生成镁的氧化物和磷化物,甚至单质磷。

    • 一个示例性的化学反应式为:3Mg+AlPO₄->Mg₃P₂+Al₂O₃ (生成磷化镁和氧化铝)

    • 也可能生成单质磷:5Mg+AlPO₄->Mg₃P₂+MgO+Al


  • 后果

    • 结构破坏

    • 上述反应直接破坏了磷酸盐砖的陶瓷结合相(磷酸盐网络),导致砖体变得疏松、强度急剧下降。


    • 形成低熔点物质

    • 反应生成的产物(如Mg₃P₂、MgO等)可能与砖的其他成分形成低共熔物,加速侵蚀。


    • 物理冲刷

    • 在熔融镁液的流动作用下,这些已被化学反应破坏的疏松表层会很容易被冲刷带走,暴露出新的表面继续发生反应,从而形成持续的、加剧的侵蚀。


    • 影响因素

侵蚀的严重程度主要取决于以下几个因素:


  • 温度

  • 温度越高,镁的活性越强,反应速率越快,侵蚀也越严重。在镁的熔点附近(650-750℃),侵蚀可能较慢;但当温度超过800℃甚至更高时,侵蚀会变得非常剧烈。


  • 接触时间

  • 长时间接触会给化学反应和物理冲刷提供充分的时间。


  • 镁的状态

  • 是静态的熔池还是动态流动的镁液?动态流动的镁液会带来更严重的物理冲刷,并不断更新接触界面,加速化学侵蚀。


  • 砖的化学成分和结构

    • 纯度

    • 采用更高纯度的原料(如电熔刚玉)制成的磷酸盐砖,其杂质较少,耐蚀性会相对好一些,但依然无法从根本上抵抗镁的还原。


    • 结合相

    • 不同成分的磷酸盐结合相(磷酸铝、磷酸铬等)耐还原性略有差异,但都无法完全抵抗镁。


实际应用与选材建议

正因为存在这种严重的化学不相容性,在直接接触熔融金属镁的环境中,磷酸盐砖通常不是推荐的耐火材料选择。

对于金属镁冶炼、精炼、铸造等工序的工业窑炉(如还原罐、精炼炉、熔炼炉、流槽、坩埚等),通常会选择以下类型的耐火材料:

碱性耐火材料

这是最常用和最合适的选择。因为它们与碱性的金属镁化学性质相近,相容性好。

  • 镁砖(MgO)

  • 主要成分是氧化镁,是处理熔融镁的首选材料之一。

  • 镁铬砖(MgO-Cr₂O₃)

  • 具有良好的热震稳定性和抗侵蚀性。

  • 镁铝尖晶石砖(MgO-Al₂O₃)

  • 性能优良,但成本较高。

中性/高铝质耐火材料(需特别注意)

  • 高铝砖或刚玉砖本身不含易被还原的磷酸盐结合剂。但它们通常采用烧结结合,如果纯度足够高、结构致密,可以在一定程度上抵抗镁的侵蚀。然而,它们并非最优选,尤其是在高温和长时间作用下仍可能被侵蚀。绝对不能用磷酸盐结合的高铝砖

保护性措施

  • 在实际操作中,即使在采用合适材质的炉体内,也常常会在熔融镁液表面使用覆盖剂(熔剂),形成保护层,以隔绝镁与空气(防止氧化)和炉衬的接触,从而减轻对炉衬的侵蚀。

总结

  • 会冲刷和侵蚀

  • 熔融金属镁会对磷酸盐砖产生严重的化学还原侵蚀,破坏其结合相,导致结构疏松,并在液流的物理冲刷下加速损坏。

  • 根本原因

  • 镁的强还原性与磷酸盐的氧化性在高温下发生剧烈反应。

  • 实践建议

  • 避免在直接接触熔融镁的部位使用磷酸盐砖。应优先选用碱性耐火材料,如镁砖、镁铬砖等,并配合使用适当的熔剂覆盖保护。


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