铬刚玉的典型特征、性能以及在耐火材料中的应用

刚玉质耐火材料种类繁多，传统的刚玉质耐火原料有白刚玉、板状刚玉、亚白刚玉、致密刚玉、棕刚玉和铬刚玉等。上述五种刚玉的典型技术特征如表1所示。

1、刚玉类耐火材料的典型特征

其中白刚玉是以工业氧化铝或煅烧氧化铝为原料熔融、冷却而得的产品，因原料本身的特性导致白刚玉的气孔率较高，且包含较多的封闭气孔;致密刚玉以工业氧化铝为原料，加入一些外加剂在电弧炉中熔炼而成，其特点是致密度较高;棕刚玉是以高铝矾土轻烧料为原料，添加少量碳和铁屑于电弧炉中熔炼而成;亚白刚玉一般又称为矾土基电熔刚玉，它是以一级或特级矾土为原料，加入还原剂等经高温熔炼而成，上述四种刚玉均以电熔法制得。除此之外，还有烧结法制得刚玉原料，如板状刚玉。烧结刚玉是以工业氧化铝为原料，经高温煅烧制得的低气孔率氧化铝。

表1常见刚玉原料的典型特征

除上述以Al2O3为主要组成获得的刚玉原料外，因Cr2O3和Al2O3具有相似的晶体结构，两者可以形成结构稳定的铝铬固溶体，一般称之为铬刚玉。

铬刚玉根据所含氧化铬含量的不同分为三类：宝石级、磨料级和耐火级铬刚玉。其中宝石级铬刚玉和磨料级铬刚玉不应用于耐火材料领域，耐火级铬刚玉为耐火材料领域高性能耐火原料，其Cr2O3含量的分布比较宽泛，一般为3~70wt.%，但根据实际应用需求会相应扩展，以便取得预期的服役效果。上述三种铬刚玉的性能如表2所示。

表2铬刚玉的典型特征

2、铬刚玉的性能

铬刚玉的主要成分为Al2O3和Cr2O3，两者形成连续型固溶体，根据Al2O3-Cr2O3二元相图，向Al2O3单相材料中添加Cr2O3，不但没有降低材料的耐火度，反而耐火度随着Cr2O3含量的提高而升高。

在刚玉材料中添加Cr2O3，随着温度的升高，Al2O3和Cr2O3逐渐形成固溶体，使刚玉颗粒和基质紧密结合，进一步在刚玉颗粒表面形成环状的固溶带，使材料在高温下颗粒和颗粒之间，颗粒和细粉之间紧密结合，且结合相为铝铬固溶体相，熔点较高，即使在高温下依然保持结合强度，故铬刚玉质耐火材料均具有较强的常温力学性能和高温力学性能。

Cr2O3是耐火材料优质组分，可以与多种氧化物形成高熔点化合物。例如，Cr2O3与Al2O3可形成连续型固溶体，此固溶体的熔点2050℃以上;Cr2O3和MgO/FeO形成高熔点的镁铬尖晶石/铬铁尖晶石;Cr2O3与Cu2O可形成熔点在1600℃以上的化合物;Cr2O3与SiO2形成的低共熔物的熔化温度达1720℃;等。

此外Cr2O3还能提高熔渣的粘度，熔渣粘度的提高可减缓熔渣向耐火材料的渗入速度。综上，Cr2O3可提高耐火材料抗熔渣侵蚀性能和剥落性能。

3、铬刚玉在耐火材料中的应用

铬刚玉因其特有的优良性能，广泛服役于环境比较苛刻的高温领域，包括有色冶金窑炉、玻璃熔窑、炭黑反应炉、垃圾焚烧炉等。铬刚玉发展之初，应用更为广泛，在水泥及钢铁冶金领域也多有涉及，但因人们环保意识的加强，高温工业无铬化的呼声越来越高，很多领域已经研发了替代产品，但是在一些服役环境较为恶劣的部位，依然存在着铬刚玉的身影。

含铬耐火材料由于其特有的性能，在有色冶金工业窑炉中使用效果良好，虽然现在很多学者在研究有色冶金领域用耐火材料的无铬化，但是至今为止，有色冶金领域使用含铬耐火材料作为冶炼炉衬仍是主流。例如：澳斯麦特铜熔炼炉用耐火材料不仅要经受熔体(SiO2/FeO系熔渣、铜液、铜锍)的冲刷和气相的侵蚀，还要克服由于喷枪的定期更换而产生的温度波动，服役环境恶劣，现阶段除含铬耐火材料外，尚未有性能更好的材料可替代。此外，在锌挥发窑、铜转炉、煤气化炉和炭黑反应炉等同样面临相同处境。

铝铬系耐火材料抗玻璃液侵蚀能力优于常规刚玉系或铝硅系耐火材料。故在受严重侵蚀的蓄热室小炉及靶墙部位、熔池部位等关键区域常应用铝铬系耐火材料作为内衬材料。

铝铬系耐火材料也常用于炭黑反应炉，包括：燃烧段、喉管段、反应段等。铝铬系耐火材料服役于炭黑反应炉超高温(1900℃)区域、还原性气体(C、CO、H2)及灰分的化学侵蚀区域和频繁温度波动区域等。故要求炭黑反应炉用铝铬系耐火材料应具备如下特点：

1)高的耐火度、较高的荷重软化温度及较低的高温蠕变率;

2)强还原气氛下的稳定性;

3)较强的抗熔灰侵蚀性;

4)较高的高温强度及抗冲刷性能;

5)良好的抗热震稳定性。

垃圾熔融焚烧炉(灰熔炉)炉衬用耐火材料中，一般含有氧化铬的耐火材料表现出良好的耐侵蚀性能;当燃烧温度高于1250℃时，采用铬刚玉制品。垃圾熔融焚烧炉一般为氧化气氛，故不能使用抗氧化能力较差的C-SiC砖和SiC砖，而优选使用Al2O3-Cr2O3材料和MgO-Cr2O3材料。一般情况下，Al2O3-Cr2O3材料随碱度的提高，侵蚀速率增加，故主要用于碱度相对较低的熔融炉。