炭黑主要是元素碳熔融或結(jié)合的近似球狀顆粒的聚集體。當今主要采用油爐工藝進行生產(chǎn)，生產(chǎn)出不同品種和不同粒度的炭黑。今天介紹下炭黑生產(chǎn)工藝簡況及炭黑反應(yīng)器用耐火材料。

1、炭黑生產(chǎn)工藝簡況

炭黑的生產(chǎn)大部分采用燃油爐。通常，燃油爐工藝采用—種類似很大的燃油器的圓筒形反應(yīng)器，由4個帶(或室)組成，即燃燒帶(室)、節(jié)流環(huán)(室)、反應(yīng)帶(室)和急冷帶(室)。

在燃燒帶增加的預(yù)熱空氣和燃燒的原料提供生產(chǎn)過程所需要的高溫，同時亦為原料進入反應(yīng)帶的通道起點。

節(jié)流環(huán)將燃燒帶和反應(yīng)帶分離，同時提高進入反應(yīng)帶的氣體速度。

反應(yīng)帶形成炭黑，并通過溫度、氣體速度和隨著原料引入的不同“種子”材料而控制炭黑的顆粒大小、形狀和硬度。

急冷帶通過噴水使溫度急劇下降，從而結(jié)束爐內(nèi)反應(yīng)。操作溫度在反應(yīng)器全部反應(yīng)過程中變化不定。加溫操作從燃燒帶的前端開始，向著節(jié)流環(huán)溫度越來越高。在節(jié)流環(huán)處溫度最高，速度最快。在反應(yīng)帶，溫度稍有下降，速度變得相當緩慢，通過沿著冷卻帶不同位置噴射冷卻水來改變反應(yīng)時間的長短，即通過急速噴水來降低溫度。

此外，當生產(chǎn)炭黑的品種改變時，通常會發(fā)生溫度的劇烈波動，當冷卻帶的位置改變時，也會引起溫度的急劇變化，這種溫度劇變都會引起耐火磚剝落損毀。

炭黑顆粒的大小受爐子尺寸、結(jié)構(gòu)、溫度和冷卻前在反應(yīng)帶停留的時間長短的限制，而操作溫度和第—次噴水的位置則取決于炭黑的等級。

2、反應(yīng)器用耐火材料的選擇

最理想的炭黑反應(yīng)器用耐火材料應(yīng)具有耐火度高、抗熱震穩(wěn)定性好、密度大、氣孔率低和抗高溫腐蝕、侵蝕性強等優(yōu)點。

大多數(shù)炭黑反應(yīng)器內(nèi)襯采用A12O3—SiO2質(zhì)耐火磚砌筑，其中靠內(nèi)襯則采用高鋁磚或者粘土耐火磚砌筑。操作溫度范圍不同時需要選用不同檔次的耐火材料筑襯。在低溫(1550～1750℃)范圍內(nèi)操作的反應(yīng)器內(nèi)襯，—般選用莫來石結(jié)合的剛玉磚砌筑。有時在冷卻帶則選用高純度的高鋁磚砌筑。

在高溫(1750～1925℃)范圍內(nèi)操作的反應(yīng)器內(nèi)襯，通常都進行分區(qū)砌筑，在燃燒帶的熱面，—般選用90％A12O3—10％SiO2的耐火磚筑襯；在高溫節(jié)流環(huán)和反應(yīng)器熱面，則選用99％Al2O3的剛玉磚和具有良好的抗熱震性能的鉻剛玉磚砌筑。

在超高溫(大于1925℃，即2000～2100℃)范圍，則選用高鉻磚砌筑。

2.1 Si02—A1203質(zhì)耐火材料在SO2—Al2O3系耐火材料中，當W(Al2O3) ＞90％時，被稱為剛玉磚。當使用純凈SiO2和A12O3材料生產(chǎn)剛玉磚時，其液相出現(xiàn)的溫度為1840℃。

采用傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)的剛玉磚，其物理性能和使用性能并不能達到非常理想的程度，其抗熱震性都較差?，F(xiàn)在通過使用純凈原料和原位形成的結(jié)合技術(shù)等，剛玉磚的物理性能和使用性能有了長足的進步，品種不斷增加。其中，原來莫來石結(jié)合90％Al2O3的剛玉磚和特殊Al2O3，結(jié)合94％Al203，甚至98％Al2O3的剛玉磚都先后開發(fā)出來了。

這些特殊剛玉耐火磚比同材質(zhì)的傳統(tǒng)剛玉耐火磚的氣孔率更低，密度更高，強度更大，尤其是抗熱震性非常突出。50mm×50mm×76mm樣品在1200％保溫10min、水冷2min，空氣中放置干燥8min為—循環(huán)在40次以上，而傳統(tǒng)耐火磚僅為2～7次，即使是傳統(tǒng)莫來石剛玉磚也只有10～15次。

特殊莫來石結(jié)合剛玉磚主要用于低溫炭黑反應(yīng)爐中，或者用于高溫炭黑反應(yīng)爐的冷卻帶。實際使用結(jié)果表明，在燃燒和限制帶使用時，特殊莫來石結(jié)合90％A12??? O3的剛玉磚的使用壽命比同材質(zhì)傳統(tǒng)莫來石—剛玉磚高50％～200％，大大延長了爐子的使用壽命。特殊A1203結(jié)合剛玉磚(95％—98％Al2O3)，主要用于炭黑反應(yīng)爐中使用條件苛刻的反應(yīng)帶，其使用溫度極限可達2000℃

2.2 Al2O3—Cr2O3質(zhì)耐火材料

A ?在1800℃以上使用的Al2O3—Cr2O3材質(zhì)

為了能適用溫度超過1800℃的炭黑反應(yīng)爐的燃燒室等部位內(nèi)襯使用，而且抗蝕性能好、抗熱震性高，通常的做法是向剛玉磚中配入—定數(shù)量的工業(yè)Cr2O3粉以改善其高溫性能。

其高溫抗折強度隨Cr2O3含量的增加而提高。研究結(jié)果還表明，由隨Cr2O3含量的增加還改善了該類耐火磚的抗熱震性和耐磨性能。

Al2O3—Cr2O3質(zhì)(10％Cr2O3)耐火澆注料用作炭黑反應(yīng)爐的燃燒室、喉管以及反應(yīng)段等接觸高溫氣體部位的工作內(nèi)襯時，可確保炭黑反應(yīng)爐在高于1800℃的操作條件下安全運行。

B 在超高溫條件下使用的Cr2O3—A12O3材質(zhì)

在溫度超過1925℃，即2000～2100℃的條件下，由于剛玉磚已經(jīng)不能勝任。例如，生產(chǎn)用于制造低滾動摩擦輪胎的硬質(zhì)炭黑的反應(yīng)爐，其操作溫度高達2100℃。在這種條件下，需要根據(jù)超高溫的使用條件，開發(fā)出更加優(yōu)質(zhì)耐火磚來與之相適應(yīng)。

研究和開發(fā)炭黑反應(yīng)器超高溫條件下使用的內(nèi)襯耐火材料的性能要求如下：

(1)高耐火度，以避免熔融和允許更高的操作溫度；

(2)熱震穩(wěn)定性好，以減少裂紋和剝落損壞；

(3)低氣孔率(高密度)，以提高抗腐蝕／侵蝕能力。

根據(jù)炭黑內(nèi)襯耐火磚研究結(jié)果和在高溫(1750～1925℃)條件下使用鉻剛玉磚已有的經(jīng)驗，認為開發(fā)在超高溫條件下使用的炭黑反應(yīng)器內(nèi)襯耐火磚應(yīng)從Cr2O3—A12O3系統(tǒng)中去選擇。

高Cr2O3含量的鉻剛玉磚作為炭黑反應(yīng)器內(nèi)襯耐火材料應(yīng)用時，在高溫操作條件下，可延長使用壽命。在超高溫操作條件下也可確保反應(yīng)器的正常運轉(zhuǎn)。另外，實際使用結(jié)果表明：在使用高灰分或者高釩燃燒油的限流室和由于間斷高溫而引起熔融的限流室使用固溶體結(jié)合的高Cr2O3含量的Cr2O3—A12O3質(zhì)耐火磚時，都延長了使用壽命，而且可以使炭黑反應(yīng)爐中的操作溫度比以前的極限溫度提高150～170℃。

通常，由于高Cr2O3含量的鉻剛玉磚非常昂貴，所以，只在大約2100℃操作的炭黑反應(yīng)器(即在生產(chǎn)硬質(zhì)炭黑時)中才選用，而且是采用綜合砌筑方案，即用70％Cr2O3、25％A12O3耐火磚砌筑最高溫度處，而用20％Cr2O3、25％A12O3磚砌筑低溫處，可獲得較佳的經(jīng)濟／技術(shù)效果。

2.3 ZrO2質(zhì)耐火材料

純ZrO2是由含鋯礦石中提煉出來的，高純ZrO2為白色粉狀。其熔點高，密度大，莫來石硬度為6.5，導熱系數(shù)較小，熱膨脹系數(shù)較大(25—1500℃，α=9.4×10^-6／℃)，而且同溫度的關(guān)系很弱，化學穩(wěn)定性好，在2000～2300℃下的高溫蒸氣壓很低，蒸發(fā)速度不大，分解壓力也很低。因此，ZrO2質(zhì)耐火材料是高溫爐襯的—類重要耐火磚。

2.4高純MgO磚

早就確定，高純度鎂磚是高溫爐爐襯的結(jié)構(gòu)材料，其使用溫度可達到2200℃。但是，在這種條件下(例如炭黑反應(yīng)器中的超高溫環(huán)境中)應(yīng)用時，高純鎂磚的鎂砂純度和性能卻需要進行仔細平衡。

我們知道，耐火磚(包括鎂磚)不只是要耐高溫和耐腐蝕／侵蝕，在使用時還必須盡可能不產(chǎn)生變化?！阏J為鎂砂純度以及物理性能上的氣孔率和方鎂石晶粒尺寸等都是提高高純鎂磚使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)。

鎂砂中MgO含量是鎂砂質(zhì)量的重要指標。但只用MgO含量作為評價標準是不夠的，雜質(zhì)的相對含量，特別是那些在高溫條件下容易形成熔體的成分的含量也很重要。在雜質(zhì)成分中，首先是B2O3和SiO2，其次是A12O3、Fe2O3、MnO以及CaO。它們的影響不僅取決于其含量，特別是要根據(jù)CaO／SiO2比來評價各成分對鎂砂質(zhì)量的影響，通常希望鎂砂中具有高CaO／SiO2比，以便獲得最佳的高溫性能。

在超高溫環(huán)境中使用的鎂磚則需要高純度。因為高純度的鎂磚具有高的高溫強度，鎂磚的高溫抗折強度隨MgO含量由90％～98％有緩慢下降的趨勢，但MgO含量超過98％時則突然增加了，其中MgO含量增加到99％以上時能顯著地提高其高溫強度。在這種情況下，雜質(zhì)種類的影響已經(jīng)變得無足輕重了。因為在這種情況下，雜質(zhì)孤立存在于方鎂石晶粒交接處(角隅)，所以MgO—MgO直接結(jié)合組織發(fā)達，高溫強度大，材料的耐磨性高，抗腐蝕／侵蝕性強。

本文由河南耐火材料廠整理，未經(jīng)允許不得轉(zhuǎn)載。