耐火材料在玻璃池窑中蚀变的影响因素

在玻璃熔制过程中，耐火材料和玻璃液在高温下相互作用，使耐火材料遭受侵蚀损坏，甚至对玻璃液也会造成缺陷。在池窑中配合料组分对耐火材料的侵蚀作用较玻璃液的作用大得多。芒硝配合料较纯碱配合料的侵蚀作用更强。通常熔融纯碱的侵蚀作用仅局限于加料口附近，而芒硝几乎可侵蚀到全部池壁。含有硼酸、磷酸、氟、氯、铅、钡等化合物和含碱量高的配合料，其玻璃液对耐火材料有特别强烈的侵蚀作用。池窑内火焰空间的窑碹、胸墙、小炉以及蓄热室等结构，虽然不与玻璃液直接接触，但也受到配合料粉尘和玻璃液面挥发物不同程度的侵蚀作用。玻璃液对耐火材料的侵蚀强度主要取决于玻璃液的黏度和表面张力等物理性质，至于在受侵蚀过程中的化学反应只有从属的作用。黏度低和表面张力小的熔融玻璃最容易浸润耐火材料，它能沿耐火材料表面的毛细管系统而侵人耐火材料中。含碱较多的玻璃其黏度较低，硼硅酸盐玻璃表面张力小，它们对耐火材料的侵蚀也就很强烈。配合料在加热过程中，开始生成最易熔的多酸化合物，流散在玻璃液面上。然后，这些熔体逐渐与比较难熔的组分相互溶解，因此在池窑熔化带的耐火材料受到多碱硅酸盐的侵蚀作用。特别是在熔制芒硝配合料玻璃时，浮在玻璃液面上的熔融硝水直接与耐火材料作用。硫酸钠在885℃熔融，参与玻璃形成反应，直到约1440℃反应才完全。硝水、碱液和多碱硅酸盐易被吸人耐火材料表面的毛细孔中，使耐火材料受到强烈的侵蚀。池窑用耐火材料在受到物理和化学侵蚀时，侵蚀速度是温度的函数。侵蚀速度随温度升高而呈对数关系递增。升高熔制温度，就降低了熔融玻璃的黏度，也就加速了对耐火材料的侵蚀，从而大大缩短了耐火材料的使用寿命。在池窑中每升高熔化温度50〜60℃，将使耐火材料的寿命缩短约1/2。而在坩埚窑中，只要熔化温度升高20〜40℃时，坩埚的使用寿命就会缩短1/2。耐火材料的抗物理和化学侵蚀能力，主要由其组成相的种类及其分布与结合状态来决定。一般耐火材料由一个或多个晶相、玻璃相及气相(气孔)组成。玻璃相较晶体的化学稳定性差，气孔是侵蚀剂渗入耐火材料内部的通道(尤其是开口气孔)。玻璃液或配合料的组分渗入耐火材料气孔的深度，与气孔直径的4次方成正比。侵蚀物首先作用于耐火材料中的玻璃相，彼此相互反应。溶液渗人耐火材料内并溶解玻璃相后，耐火材料中的晶体就会受到玻璃液流的侵蚀，并有可能不断出现继续受侵蚀的新的部分。气孔和玻璃相大部分存在于烧结耐火材料的结合物中，因此结合物成为耐火材料抗物理和化学侵蚀的薄弱环节。耐火材料受侵蚀所形成的熔融物黏度越大，材质越致密，开口气孔越少，所受侵蚀的程度将越小。由于耐火材料被溶解而使玻璃液黏度提高，就能在耐火材料表面形成一层很少移动的保护膜，从而使侵蚀减弱。要获得抗侵蚀性良好的耐火材料，除需要有稳定的晶相、软化温度高、熔体黏度大、玻璃相少及气孔率低以外，还要求晶相的晶型细小，而且均匀分布在玻璃相中，组织结构均勻，结合紧密，这样即可使玻璃相得到增强。耐火材料表面不平整，有缝隙和裂纹都会使侵蚀加深，特别是横缝受侵蚀更严重。砌体越致密，缝隙越微细，则玻璃液对池壁砖的侵蚀作用越小。玻璃液对流和玻璃液面的不稳定，能加剧对耐火材料的侵蚀。这主要是由于液流会加速玻璃液与耐火材料间相互的物理和化学作用。但玻璃液与耐火材料间的摩擦力非常小，因此受机械磨损的作用则是较轻的。在侵蚀进行过程中耐火材料被溶解，而在表面形成一层薄膜，当受到玻璃液流冲刷时，原来很少活动的这层保护膜就移动了，使耐火材料裸露出新的表面部分，这就为进一步遭受侵蚀提供了有利条件。当黏土质池壁砖受到钠-钙硅酸盐玻璃侵蚀时，玻璃表面受到的破坏较液面下不太深处快得多，容易形成深沟。玻璃液面的波动会加强对已受破坏的耐火材料层的冲刷作用。当玻璃液面下降后，已软化的一层薄膜不能再保持在耐火材料的内表面上，而玻璃液面重新上升时，剥落的薄膜不能回复原位，就被液流带走。新的一层耐火材料又暴露出来，重新受到上升玻璃液的进一步侵蚀而加速破坏。有时由于耐火材料被溶解而生成的高黏度玻璃液层被剥落，来不及扩散均化，会使玻璃产生条纹。由于玻璃液的温差，池壁附近的玻璃液流向下运动，而池壁耐火材料受侵蚀溶解会使玻璃液的密度发生变化，将影响池壁附近液流的速度，并加强侵蚀。池壁的通风冷却，有助于减轻侵蚀，但只有当池壁砖的厚度不大时才有可能实现。有时还可增强池壁处玻璃液的对流循环，反而会加强对耐火材料的侵蚀。池窑中的温度波动将引起耐火材料-玻璃液系统平衡的破坏。如温度升高时，使覆盖池壁砖表面的保护膜的黏度降低，易被玻璃液流冲刷带走，也会加速它的侵蚀破坏。现代池窑多采用辅助电熔和鼓泡澄清工艺，以提高熔化率。但也加强了玻璃液的对流，升高了深层玻璃液的温度，这也加强了对耐火材料的侵蚀作用。当向池窑内加入配合料时，料粉容易被窑内流动的气体所带走，粉尘中含碱量很多，往往沉积在池壁砖的上表面，生成釉料，并沿砖的表面流下，使砖面形成深沟，甚至会成滴地落在玻璃液中，使玻璃液产生条纹等缺陷。池窑上部结构经常受到配合料粉尘和挥发物的侵蚀。但粉尘与耐火材料发生化学反应，其生成物多留在耐火材料表面，形成一层薄膜，它具有保护作用，可防止配合料粉尘对耐火材料的进一步侵蚀。配合料和玻璃液的挥发物也对耐火材料进行化学侵蚀，挥发成分主要是碱金属氧化物和硼化合物，还有氟化物、氯化物和硫化物。这些挥发物以气相状态与耐火材料发生化学反应，并渗入耐火材料的气孔或缝隙中，在温度较低的部位凝结成液相，与耐火材料发生化学反应。这些化合物的冷凝液体对耐火材料的侵蚀更为强烈，它们通过浸润、扩散，向耐火材料气孔内深入渗透，尤其是上部结构有裂纹和缝隙时，会对耐火材料造成很大的破坏。配合料粉尘和挥发物在大多数清况下共同对耐火材料进行侵蚀。距加料口越远，配合料粉尘越少，而工作池及供料槽的上部结构则只受到玻璃液挥发物的侵蚀。这两种化学侵蚀都可以诱发和促进不同种类耐火材料之间的相互反应，并使耐火材料强度降低，甚至引起在物理作用下的损坏。窑内气氛也对耐火材料的侵蚀产生影响。如在还原气氛下作业，或应用发生炉煤气时，煤气中的CO和H2会使砖中的氧化铁还原，从而加速对耐火材料的侵蚀。配合料粉尘和玻璃液挥发物及其冷凝物以及窑内气氛同样也对蓄热室耐火材料起着相当大的破坏作用。熔融玻璃、料粉和挥发物与耐火材料接触发生的交代反应，主要是在固相存在下通过扩散进行的。由于熔融玻璃具