还原气氛熔融炉耐火材料选型：从Cr₂O₃的局限到C-SiC的平衡之道

在采用氮气作为载气的等离子熔融炉，或是以焦炭为燃料的直接气化熔融炉中，其内部环境的强还原性气氛对耐火材料的性能提出了严峻的考验。在这种工况下，传统上认为性能优异的含铬（Cr₂O₃）耐火材料，其应用效果往往不尽人意。

核心问题在于，Cr₂O₃在还原气氛下化学性质不够稳定，容易被还原，从而丧失其关键功能——提升熔渣黏度，进而延缓侵蚀。一旦Cr₂O₃被还原，材料的耐蚀骨架便遭到破坏，导致炉衬损毁速度显著加快。这一现象迫使我们必须寻找替代方案，将目光投向非氧化物系的耐火材料。

在此背景下，碳化硅（SiC）、碳结合碳化硅（C-SiC）以及二硼化锆（ZrB₂）等非氧化物材料进入了工程师的视野。

图1 渣碱度与各种耐火材料损毁速度的关系（非氧化性气氛）

为了量化评估这些材料的性能，一项转鼓侵蚀试验提供了直观的数据支撑（参见图1）。该试验在1650°C的非氧化性气氛下，采用电弧放电作为热源，持续进行了4小时。试验考察了当熔渣碱度在0.5至2.0区间变化时，不同耐火材料的损毁速度。

试验结果清晰地表明，在还原性或非氧化性气氛中，C-SiC砖和SiC砖表现出卓越的抗侵蚀性能。它们的损毁速率不仅远低于其他材料，而且几乎不受熔渣碱度变化的影响。这一优异特性，使得C-SiC砖在处理废弃物的还原气氛熔融炉中获得了广泛应用，成为该领域的主流选择。

然而，工程实践的复杂性总会带来新的挑战。当熔融炉用于处理经过钙盐法固化的飞灰时，人们观察到C-SiC砖的损毁量有时会反常增加。深入分析后发现，根源在于飞灰预处理过程中可能存在的反应不完全。残留的氢氧化钙（Ca(OH)₂）、碳酸钙（CaCO₃）以及反应生成的含水晶体氯化钙（CaCl₂·xH₂O），在熔融的高温环境下成为了“麻烦制造者”。

这些残留物在高温下会发生分解： Ca(OH)₂ → CaO + H₂O_(g) CaCO₃ → CaO + CO_2(g)

分解产生的H₂O和CO₂气体，虽然在整个炉体宏观上仍是还原气氛，但在耐火材料表面却形成了局部氧化微环境。这两种气体能够显著促进C-SiC砖中碳（C）的氧化，从而破坏材料结构，导致其损毁加剧。要精准评估材料在特定工况下的稳定性，需要对这些复杂的微观反应及其对材料性能的综合影响进行深入分析。如果您在实际工作中也面临类似的材料失效分析与性能评估难题，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。

面对这一问题，一个直接的思路是提高C-SiC砖中SiC的含量。因为SiC的抗氧化性优于碳，增加其比例理应能提升材料在局部氧化气氛下的稳定性。但是，事情并非如此简单。回头审视图1的数据，我们会发现，纯SiC砖的损毁速度虽然整体很低，但在碱度从低到高变化时，存在一个轻微的上升趋势。

这就带来了一个两难的抉择：过度增加SiC的含量，可能会以牺牲材料在高碱度熔渣环境下的耐用性为代价。因此，对于高性能C-SiC耐火材料的开发而言，关键不在于单一性能的极致化，而在于根据具体工况，在抗氧化性与抗熔渣侵蚀性之间找到最佳的平衡点。

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