為探尋適合在飛灰熔融爐中使用的耐火材料，以提高飛灰熔融爐的使用壽命，采用靜態(tài)坩堝法，對(duì)國內(nèi)某公司飛灰熔融爐用熔鑄鋯剛玉磚AZS-41以及有望適用于飛灰熔融爐的高鉻磚CRB-86、鉻剛玉磚CRCB-30、剛玉磚CB-99和鋯英石磚DZB-69進(jìn)行了抗飛灰侵蝕對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)侵蝕后試樣進(jìn)行了SEM和EDS分析。結(jié)果表明：1)熔鑄鋯剛玉磚AZS-41因結(jié)構(gòu)致密而具有優(yōu)異的抗飛灰滲透性，但抗飛灰侵蝕性能差。2)高鉻磚CRB-86抗飛灰滲透性較好，因其高含量Cr2O3的存在而具有優(yōu)異的抗飛灰侵蝕性。3)鉻剛玉磚CRCB-30抗飛灰滲透性較差，因高含量且易被飛灰侵蝕的Al2O3的存在而表現(xiàn)出很差的抗飛灰侵蝕性。4)剛玉磚CB-99因顯氣孔率高，且Al2O3易被飛灰侵蝕，其抗飛灰滲透性和抗飛灰侵蝕性均最差。5)致密鋯英石磚DZB-69因結(jié)構(gòu)致密而具有優(yōu)異的抗飛灰滲透性；但因鋯英石相被飛灰中的堿性成分分解以致產(chǎn)生剝落，因此具有較差的抗飛灰侵蝕性。
垃圾焚燒后的部分殘余物一飛灰，含有大量毒性高、易致癌和污染大的重金屬和二噁英，如不進(jìn)行嚴(yán)格而科學(xué)的管理，將對(duì)土壤和水質(zhì)造成幾乎無法修復(fù)的污染。采用飛灰熔融爐高溫(>1400℃)處理飛灰，使其完全玻璃化后再冷卻成固態(tài)物質(zhì)，然后進(jìn)行填埋或用于生產(chǎn)玻璃纖維和裝飾材料等，是解決上述問題的有效手段。
飛灰熔融爐在歐美應(yīng)用普遍。近年來，我國飛灰熔融爐的應(yīng)用正在快速發(fā)展，并且設(shè)計(jì)日處理能力遠(yuǎn)高于歐美。當(dāng)前，我國飛灰熔融爐的關(guān)鍵耐火材料主要是熔鑄鋯剛玉制品。由于飛灰成分復(fù)雜，并且在熔融爐操作溫度下呈液態(tài)，因此對(duì)現(xiàn)用爐襯耐火材料的侵蝕非常嚴(yán)重，飛灰熔融爐用熔鑄鋯剛玉制品的使用壽命僅有3~4月。
為了探尋適合在飛灰熔融爐中使用的耐火材料，以提高飛灰熔融爐的使用壽命，在本工作中，采用靜態(tài)坩堝法，對(duì)國內(nèi)某公司飛灰熔融爐用熔鑄鋯剛玉磚AZS-41以及有望適用于飛灰熔融爐的高鉻磚CRB-86、鉻剛玉磚CRCB-30、剛玉磚CB-99和鋯英石磚DZB-69進(jìn)行了抗飛灰侵蝕對(duì)比試驗(yàn)，希望從這方面為飛灰熔融爐爐襯的選材提供一些參考。
1試驗(yàn)
試驗(yàn)飛灰為垃圾焚燒后的飛灰收集料，其化學(xué)組成(w)為：SiO2 40.84%，Al2O3 12.20%，F(xiàn)e2O3 3.10%，TiO2 0.54%，CaO 17.76%，MgO 3.28%，K2O 1.54%，Na2O 2.24%，P2O5 1.13%，S 1.10%， Cl-3.51%，灼減8.94%。
所用試驗(yàn)磚及其理化性能指標(biāo)見表1。除熔鑄鋯剛玉磚AZS-41為某公司飛灰熔融爐襯磚外，其他均為中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司產(chǎn)品。
表1 試驗(yàn)磚的理化性能
抗飛灰侵蝕試驗(yàn)參照GB/T8931—2007。將各試驗(yàn)磚均制成外部尺寸為Φ70mmX70mm，內(nèi)孔尺寸為Φ40mmx35mm的坩堝;在坩堝孔內(nèi)添加50g飛灰，在1500℃保溫96h進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)后，沿坩堝孔中心軸剖開，觀察剖面的侵蝕情況，并測各層厚度，同時(shí)利用Adobe Photoshop軟件計(jì)算各試樣的侵蝕面積百分率和滲透面積百分率;然后制成光片，采用德國EVO-18型掃描電鏡和X-Max50型能譜分析儀進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分析。
2結(jié)果與討論
2.1侵蝕試驗(yàn)結(jié)果
抗飛灰侵蝕試驗(yàn)后試樣的剖面照片見圖1。由圖1可以看出：從坩堝內(nèi)壁往外，各試樣的顏色基本上均呈由深到淺的變化趨勢，可劃分為侵蝕層(包括蝕損區(qū)和附渣區(qū))、滲透層和原磚層。對(duì)侵蝕層和滲透層顏色進(jìn)行肉眼大致判定和測量，各試樣的抗飛灰由侵蝕試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
圖1 侵蝕試驗(yàn)后各試樣剖面的照片
表2 各試樣的抗飛灰侵蝕試驗(yàn)結(jié)果
結(jié)合圖1和表2可以看出：坩堝AZS-41內(nèi)有5mm厚的殘余熔融飛灰，且有大量析出物存在，說明其抗飛灰滲透性好，但抗飛灰侵蝕性較差;坩堝CRB-86內(nèi)表面和底部的反應(yīng)跡象不明顯，滲透層厚度僅為2 mm，具有很好的抗飛灰侵蝕性和抗飛灰滲透性；坩堝CRCB-30內(nèi)殘余0.5mm厚的熔融飛灰，被輕微侵蝕，反應(yīng)層和滲透層厚度分別為3和11mm，具有良好的抗飛灰侵蝕性，但抗飛灰滲透性差;坩堝CB-99內(nèi)飛灰全部滲入坩堝，坩堝被嚴(yán)重熔蝕，骨料呈孤立狀，侵蝕層和滲透層厚度均達(dá)到13 mm，其抗飛灰侵蝕性和抗飛灰滲透性極差;坩堝DZB-69內(nèi)有少量熔融飛灰殘余，坩堝熔蝕嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)疏松，反應(yīng)層和滲透層厚度分別為8和5mm，抗飛灰滲透性較好，但抗飛灰侵蝕性較差。
由于各層的形狀很不規(guī)則，用傳統(tǒng)方法難以準(zhǔn)確計(jì)算其侵蝕面積百分率和滲透面積百分率。為此，參照文獻(xiàn)，利用軟件分別統(tǒng)計(jì)、計(jì)算出侵蝕層和滲透層的像素?cái)?shù)占剖面原始實(shí)體部分像素?cái)?shù)的百分比，分別作為各試樣的侵蝕面積百分率和滲透面積百分率，結(jié)果見圖2。
圖2 試樣的侵蝕面積百分率和滲透面積百分率
由圖2可以看出：AZS-41和CRB-86的侵蝕面積百分率和滲透面積百分率都很小，表明兩種制品的抗飛灰侵蝕性和滲透性均很好；CB-99的侵蝕面積百分率和滲透面積百分率都最大，表明其抗飛灰侵蝕性和抗飛灰滲透性均最差；DZB-69的侵蝕面積百分率和滲透面積百分率均介于AZS-41和CB-99之間，表明其抗飛灰侵蝕性和滲透性均介于AZS-41和CB-99之間；CRCB-30的侵蝕面積百分率與AZS-41的相近，但其滲透面積百分率則與CB-99的相近，這表明CRCB-30的抗飛灰侵蝕性很好，但抗飛灰滲透性很差。歸納起來，各試驗(yàn)磚的抗飛灰侵蝕性由好到差的排列順序?yàn)镃RB-86>AZS-41>CRCB-30>DZB-69>CB-99，而抗飛灰滲透性由好到差的排列順序?yàn)锳ZS-41>CRB-86>DZB-69>CRCB-30>CB-99。
2.2侵蝕后試樣的顯微結(jié)構(gòu)
抗飛灰侵蝕試驗(yàn)后坩堝剖面靠近坩堝內(nèi)孔底部的SEM照片見圖3，圖的上部指向坩堝內(nèi)壁(以下稱為工作面)。可以看出：1)試樣AZS-41坩堝內(nèi)壁有少量附渣，熔蝕后再析晶的ZrO2晶粒呈線形分布在渣中;組織結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，剛玉相被全部熔蝕，ZrO2晶粒因不與渣反應(yīng)而呈孤島狀分布在渣相中。2)試樣CRB-86坩堝內(nèi)壁未見附渣，試樣中的Cr2O3骨料顆粒保持完好，基質(zhì)有被局部熔蝕的現(xiàn)象，總體侵蝕程度很輕。3)試樣CRCB-30坩堝內(nèi)壁也未見附渣，本體中的Cr2O3骨料顆粒也基本上保持完好，但顆粒表面被侵蝕得極不整齊，基質(zhì)的侵蝕也較為嚴(yán)重。4)試樣CB-99坩堝內(nèi)壁亦未見附渣，工作面凸凹不平，整體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重；表面基質(zhì)結(jié)合相幾乎被熔蝕殆盡，基質(zhì)晶粒呈孤島狀分布在玻璃相中；剛玉骨料(灰色)也有—定程度侵蝕。5)試樣DZB-69坩堝內(nèi)壁有極少量附渣，工作面處出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)膨脹以致剝落。
2.3分析討論
熔鑄鋯剛玉磚AZS-41結(jié)構(gòu)致密，顯氣孔率僅為0.90%，熔融飛灰借以滲入的孔隙通道少，因此其抗飛灰滲透性非常好。ZrO2晶粒抗侵蝕性能優(yōu)良，不與熔渣發(fā)生反應(yīng)。工作面處的Al2O3和SiO2則被全部熔蝕，生成玻璃相，致使工作面處組織結(jié)構(gòu)被完全破壞。這表明，熔融鋯剛玉制品雖然具有良好的抗飛灰玻璃滲透性能，但其抗侵蝕性能差。
高鉻磚CRB-86雖然氣孔率較熔鑄鋯剛玉磚AZS-41和致密鋯英石磚DZB-69高許多，但其中的主成分Cr2O3可與熔渣中的Fe2O3和MgO等成分反應(yīng)生成熔點(diǎn)較高的復(fù)合尖晶石相，填充于氣孔中，起到阻塞氣孔通道的作用，所以其抗飛灰滲透性較好；因其含有高達(dá)86%(w)的Cr2O3，而Cr2O3的抗化學(xué)侵蝕性極強(qiáng)，只是因?yàn)榛|(zhì)內(nèi)有起促燒作用的Al2O3存在而降低了其抗侵蝕性，因此該磚整體上具有優(yōu)異的抗飛灰侵蝕性。
鉻剛玉磚CRCB-30的結(jié)構(gòu)與高鉻磚CRB-86相似，但因其含有高達(dá)60%(w)的Al2O3，而Al2O3極易被飛灰侵蝕，因此該磚的抗飛灰侵蝕性受到限制。可以看出，Cr2O3含量越高，材料的抗飛灰侵蝕性越好。
剛玉磚CB-99的顯氣孔率最高，并且Al2O3易被飛灰侵蝕，因此其抗飛灰滲透性和侵蝕性均最差。
鋯英石磚DZB-69結(jié)構(gòu)致密，顯氣孔率為2.70%，熔融飛灰借以滲入的孔隙通道少，因此其抗飛灰滲透性較好;但是，由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋯英石相易被飛灰中的堿性成分分解，分解伴隨較大的體積膨脹而容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剝落；同時(shí)，分解產(chǎn)物之一的SiO2快速被玻璃相熔蝕形成新的玻璃相。因此，該磚的抗飛灰侵蝕性和抗剝落性很差，不適宜應(yīng)用于飛灰熔融爐。
3結(jié)論
(1)熔鑄鋯剛玉磚AZS-41因結(jié)構(gòu)致密而具有優(yōu)異的抗飛灰滲透性，能夠使用在飛灰熔融爐中；但抗侵蝕性能比較差，影響其使用壽命。
(2)Cr2O3具有優(yōu)異的抗飛灰侵蝕性能，且隨著Cr2O3含量的增加，制品的抗飛灰侵蝕性能提升。因此，預(yù)判含鉻材料是飛灰熔融爐較為理想的內(nèi)襯用耐火材料。
(3)由于剛玉磚抗飛灰侵蝕性極差,鋯英石制品易分解并產(chǎn)生剝落，兩者均不適合于飛灰熔融爐的使用。