可动式熔融炉耐火材料：抗蚀与抗剥落性能的协同优化策略

在回转窑这类可动式熔融炉中，其内衬耐火材料面临着极为严苛的服役环境。除了高温熔渣的化学侵蚀，由窑体旋转、物料翻滚带来的机械应力，是导致内衬发生机械剥片（Spalling）损毁的关键因素。因此，为这类窑炉选择内衬材料，必须跳出单一维度的性能考量，寻求一种兼具高耐蚀性与优异应力缓和能力（即抗剥落性）的综合解决方案。含Cr₂O₃的耐火材料体系，因其在氧化气氛下对废弃物熔渣出色的抵抗能力，构成了我们探讨的基础。

熔渣碱度：决定耐火材料体系选择的关键变量

材料的选择并非一成不变，熔渣的化学性质，特别是其碱度，直接决定了最优的技术路线。

• 当处理混合熔融钙盐的飞灰时，熔渣碱度通常在1.0左右。在此工况下，MgO-Cr₂O₃质材料与Al₂O₃-Cr₂O₃质材料的耐蚀性虽有差异，但并不悬殊，前者略占优势。
• 然而，在单独熔融飞灰的场景中，熔渣碱度可能急剧攀升至2.0以上。这种强碱性环境对Al₂O₃-Cr₂O₃质材料是巨大的考验，其损毁速率远超MgO-Cr₂O₃质材料。因此，高碱度环境下，MgO-Cr₂O₃体系成为不二之选。
• 反之，当处理碱度低于0.5（常见于0.3~0.4）的主灰时，局势则发生逆转。Al₂O₃-Cr₂O₃质材料的损毁速率低于MgO-Cr₂O₃质材料。此时，选用Al₂O₃-Cr₂O₃质材料，尤其是高Cr₂O₃含量的配方，是更为合理的工程决策。

综合回转窑的动态操作特性，材料的性能天平必须在“抗蚀”与“抗剥落”之间取得精妙平衡。目前，两条主流的技术路径展现出巨大潜力：一是Al₂O₃-Cr₂O₃-ZrO₂质复合材料，二是通过非线性增强技术改进的MgO-Cr₂O₃质材料。

Al₂O₃-Cr₂O₃-ZrO₂质耐火材料：通过微结构设计实现性能平衡

如何在保持Al₂O₃-Cr₂O₃体系高耐蚀性的基础上，赋予其适应动态应力的能力？答案在于引入可控的微裂纹。向材料中引入少量ZrO₂（通常为u-ZrO₂或m-ZrO₂）是一种行之有效的手段，利用其相变增韧机制在材料内部形成弥散的微裂纹，从而有效吸收和缓和机械应力。

一项对比研究（见表1）深入剖析了三种不同配方的Al₂O₃-Cr₂O₃-ZrO₂砖的性能差异。其中，A砖的Cr₂O₃含量较低（约7%），而B、C两款砖的Cr₂O₃含量较高（约28%），且C砖特别引入了粗颗粒Cr₂O₃原料。

表1 Al₂O₃-Cr₂O₃-ZrO₂砖的性能对比

实验数据揭示了清晰的构效关系：

1. 耐蚀性与Cr₂O₃含量正相关：B砖与C砖凭借高Cr₂O₃含量，展现出卓越的抗侵蚀能力（耐蚀损指数为1和1.02），而Cr₂O₃含量低的A砖则相形见绌（指数高达5.92）。
2. 应力缓和性的微妙平衡：有趣的是，Cr₂O₃含量较低的A砖，因其ZrO₂相对含量高，表现出极佳的应力缓和性（挠曲性指数6.9）。而C砖通过引入粗颗粒Cr₂O₃的巧妙设计，在维持高Cr₂O₃总量的同时，也获得了优异的应力缓和性能（挠曲性指数6），成功解决了高耐蚀性与高韧性难以兼得的矛盾。

这一系列实验清晰地揭示了一条优化路径：在具备优良应力缓和性能的低铬Al₂O₃-Cr₂O₃-ZrO₂基体中，通过添加特定粒径的含Cr₂O₃粗颗粒，可以开发出如C砖这般，同时具备高耐蚀性与高“适应性”（即应力缓和能力）的顶尖材料，完美契合回转窑的苛刻工况。准确评估材料的耐蚀损指数、挠曲性等关键指标，对于指导配方优化和质量控制至关重要，这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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MgO-Cr₂O₃质耐火材料：非线性增强技术提升抗剥落性

MgO-Cr₂O₃质耐火材料虽天生具备优异的抗熔渣侵蚀能力，但其固有的脆性与较差的抗剥落性是其应用的短板。采用非线性增强技术，是提升其综合性能的关键。其改进途径主要有二：

1. 配料与微观结构调控

• 粒度控制：通过调整配料的粒度分布，特别是减少粗颗粒（>1mm）的用量并降低其临界尺寸，可以显著改善材料的抗热震性。研究表明，当大于1mm的颗粒质量分数控制在35%以下时，直接结合MgO-Cr₂O₃砖在经受25次反复加热-空冷循环后仍不发生剥落。若将该比例进一步降至30%，材料的抗折强度还能得到提升。
• Cr₂O₃含量与形态的权衡：提高Cr₂O₃含量能增强抗蚀性，但同时会牺牲抗剥落性。为破解这一难题，可在低铬配方中添加Cr₂O₃微粉。微粉能有效填充基质，在不显著恶化材料韧性的前提下，提升整体的抗侵蚀水平。

2. 特殊添加物改性

引入低热膨胀系数的添加物是另一条高效的技术路径。例如，向直接结合MgO-Cr₂O₃砖中添加少量CaO·ZrO₂，可以显著提升材料的非线性力学行为，即在受力时表现出更大的形变能力，从而提高韧性。

图1 镁铬砖试样的曲线行为（a: 0% CaO·ZrO₂; b: 3% CaO·ZrO₂; c: 5% CaO·ZrO₂）

图2 特殊添加材料加入量与镁铬砖试样耐剥落性的关系

从图1的荷载-应变曲线可见，添加了3% CaO·ZrO₂的试样b，其曲线表现出突出的非线性特征，远优于未添加的试样a，这直接对应着优良的抗剥落性。图2进一步量化了这种关系。通过这种改性手段，结合原料的精选和MgO/Cr₂O₃比例的精细调整，可以开发出兼具高耐蚀性和优异适应性的直接结合MgO-Cr₂O₃砖，为回转窑炉衬的长寿化运行提供坚实保障。

对耐火浇注料的挑战与展望

在回转窑的投料口和下料口等关键部位，通常使用耐火浇注料。这些区域对材料的要求与炉体同样苛刻，尤其在下料口，还要求熔渣易于剥离。理论上，高Cr₂O₃含量有利于满足这些要求。然而，Cr₂O₃本身难以被润湿，要使其在浇注料中形成牢固的结合，同时兼顾抗热震性与耐蚀性，技术难度极大。

目前，Cr₂O₃含量为15%的Al₂O₃-Cr₂O₃质浇注料已能满足基本使用要求，但业界对延长其使用寿命的追求从未停止。未来的发展方向将聚焦于更高性能的原材料与更精细的配方设计，例如：

• 采用高密度Al₂O₃-Cr₂O₃合成砂作为骨料。
• 大量使用Al₂O₃-Cr₂O₃超细粉以优化基质。
• 对颗粒级配进行系统性的优化设计。

通过这些综合手段，开发出综合性能更卓越的Al₂O₃-Cr₂O₃质耐火浇注料，将是提升回转窑关键部位服役寿命的重要突破口。