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西普耐材始終強(qiáng)調(diào)“共鑄零碳玻璃工業(yè)，打造璀璨光明未來”這一使命愿景，并致力于提供“貫穿窯爐生命周期的技術(shù)服務(wù)”。

然而，實(shí)現(xiàn)凈零碳窯爐需要新的熔化技術(shù)，而這些新技術(shù)將導(dǎo)致更惡劣的操作條件，例如溫度更高、溫度變化大、局部玻璃液對流更快，以及爐內(nèi)氣氛成分的改變。所有這些變化都將對耐火材料產(chǎn)生重大影響。

為此，西普耐材正在開發(fā)新一代耐火材料，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來預(yù)測其在電熔化、混合熔爐和氫氣燃料中的侵蝕現(xiàn)象。想知道它實(shí)戰(zhàn)表現(xiàn)如何嗎？往下閱讀，一探究竟吧！

延長凈零碳玻璃窯爐壽命解決方案

新一代耐火材料與目前的AZS相比，具備更高的抗侵蝕性，同時(shí)沒有高鋯產(chǎn)品那樣對向上鉆蝕機(jī)理那么敏感。此產(chǎn)品還能保持所需的高玻璃質(zhì)量，不會產(chǎn)生結(jié)石或著色問題。

為了使玻璃制造工藝脫碳，玻璃行業(yè)目前正在評估幾種途徑：使用低碳替代燃料(如氫氣)來代替天然氣，或者使用電極進(jìn)行電熔化或混合熔化。

這些新的熔化條件對耐火材料來說更加苛刻，我們需要在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上進(jìn)行幾組試驗(yàn)，以重現(xiàn)新的熔化條件。因此，西普耐材開發(fā)了一種采用U形樣品磚的流液洞專用測試。測試用的耐火材料被加工成U形，重現(xiàn)流液洞的蓋板磚和側(cè)壁磚。然后將它們安裝在充滿玻璃液的鉑金坩堝，或安裝在能重現(xiàn)玻璃窯爐的試驗(yàn)爐里，在適當(dāng)溫度下運(yùn)行幾百個(gè)小時(shí)。

測試流液洞材料的“U形”侵蝕試驗(yàn)

測試結(jié)束后，使用3D掃描和手動測量來量化流液洞磚的預(yù)期侵蝕情況。

當(dāng)電熔耐材在高溫下接觸玻璃液時(shí)，玻璃中的元素向耐材的玻璃相內(nèi)擴(kuò)散及耐材中的晶體在玻璃內(nèi)的溶解而形成界面（見圖5）。晶體在這種界面玻璃中的溶解度越低，則耐火材料的抗侵蝕性就越好。眾所周知，在大多數(shù)玻璃中氧化鋯的溶解度低于氧化鋁和二氧化硅。ZrO2含量高的AZS材料在動態(tài)侵蝕條件下表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗侵蝕性。

然而，對于某些特殊部位例如液面線或流液洞來說，在抗侵蝕上，氧化鋯含量高的產(chǎn)品并不總是能提供所期望的和成比例的改善。

對于耐材的垂直面或流液洞的下表面，當(dāng)界面玻璃富集氧化鋯時(shí)，我們觀察到界面玻璃的密度和表面張力增加。由于其自身的密度和馬蘭戈尼效應(yīng)，這種轉(zhuǎn)變后的玻璃傾向于從界面流出，從而導(dǎo)致界面層不斷更新：因此，氧化鋯的溶解度沒有達(dá)到極限，可以觀察到點(diǎn)蝕。附著在流液洞部位的氣泡助推了這一機(jī)理。

侵蝕耐材的玻璃液主要液流狀態(tài)

更抗侵蝕性的新產(chǎn)品開發(fā)

隨著在高增壓爐或混合爐中的流液洞和池壁溫度的升高，市場上需要更耐侵蝕的材料。來自西普耐材的名為 XiROC 95 RT 的新材料已經(jīng)開發(fā)并獲得了專利。這種材料含有85%的氧化鋯，還含有氧化鋁及二氧化硅玻璃相。這種材料在市場上是獨(dú)一無二的，并定義了介于AZS和HZ材料之間的新品種耐火材料。

新品種耐材的流液洞蓋板磚外觀及其微觀結(jié)構(gòu)(SEM）

我們可以通過下列實(shí)驗(yàn)一瞥 XiROC 95 RT 的性能。

01
XiROC 95 RT 的抗侵蝕性能

在實(shí)際生產(chǎn)中，困在磚材下表面的氣泡會導(dǎo)致無法控制和加速的侵蝕機(jī)理，導(dǎo)致侵蝕速率比我們在動態(tài)侵蝕測試中觀察到的速度快幾倍。這種機(jī)理被稱為向上鉆蝕，當(dāng)玻璃-耐材界面具有低粘度、高表面張力和高密度時(shí)，這種機(jī)理尤為顯著。

氧化鋯含量高的電熔耐材由于形成高密度和低粘度的界面玻璃，通常表現(xiàn)出快速的向上鉆蝕。因此，雖然氧化鋯本身能提供較高的耐腐蝕性，但是由此帶來的使用壽命并不一定更長。

此外，進(jìn)入流液洞的高速玻璃液流是蓋板侵蝕的加劇因素。這就是為什么氧化鋯含量低的AZS材料也會受到強(qiáng)烈侵蝕，沒有向上鉆蝕模式，但界面轉(zhuǎn)變強(qiáng)烈。

流液洞的侵蝕形貌: AZS vs 高鋯

玻璃窯爐流液洞的多次停爐觀察證實(shí)，與AZS材料相比，氧化鋯含量更高會略微提高流液洞蓋板的使用壽命，但這些表現(xiàn)在很大程度上取決于窯爐操作條件。

新型XiROC 95 RT結(jié)合了兩個(gè)材料系列的優(yōu)點(diǎn)：氧化鋯在玻璃中的溶解度低，其表面由富含氧化鋁的高粘度界面保護(hù)。

在鈉鈣玻璃中氧化鋁和氧化鋯的溶解度

用作流液洞或池壁，與高鋯磚相比，XiROC的向上鉆蝕將減少：與AZS材料相比，常規(guī)侵蝕速度也減慢。

02
在鈉鈣玻璃中的應(yīng)用測試：

將無色鈉鈣玻璃放入實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的爐子里，爐子由各種AZS和高鋯材料組成，稱為小型爐測試。通過這種測試，西普耐材對AZS 40、高鋯磚和新型XiROC 95 RT進(jìn)行了比較。

每個(gè)U形樣品的體積損失已通過3D掃描測量。向上鉆蝕的耐腐蝕性通過使用與頂面體積損失成反比的指數(shù)來評定。指標(biāo)越高，抗侵蝕性越好。

鈉鈣玻璃中U形耐材樣品的侵蝕形貌 – 小型試驗(yàn)爐

AZS 40 U形樣品顯示出強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)變。其“腿”磚的棱邊也顯示出明顯的侵蝕。AZS 40的氧化鋯含量較低，侵蝕和轉(zhuǎn)變較大。高倍鏡下鈍化區(qū)的顯微結(jié)構(gòu)觀察到霞石結(jié)晶。AZS 40顯示出高度轉(zhuǎn)化的~1.2 mm厚度的粘性界面。由于這個(gè)區(qū)域通過多氣孔的區(qū)域連接到核心材料，界面層中的AZS晶體會進(jìn)一步產(chǎn)生玻璃缺陷。

微觀結(jié)構(gòu)3：AZS 40由皮及里的形貌

高鋯U形樣品顯示出強(qiáng)烈的向上鉆蝕，但其“腿”磚的棱邊仍然保持棱角。高鋯的微觀結(jié)構(gòu)在接觸玻璃區(qū)域的外圍有氧化鋯顆粒被侵蝕。在高鋯樣品中可以看到氧化鋯向鋯英石的局部轉(zhuǎn)變。高鋯表面富含氧化鋯，這就是造成高鋯向上鉆蝕的原因。

在鈉鈣玻璃中侵蝕后，高鋯磚的微觀結(jié)構(gòu)

XiROC 95 RT樣品的向上鉆蝕較輕，其“腿”處耐侵蝕性也表現(xiàn)良好。XiROC 95 RT表現(xiàn)出極低的顯微結(jié)構(gòu)變化，特別是在玻璃-耐火材料界面處。氧化鋯顆粒的周圍幾乎沒有擴(kuò)散或轉(zhuǎn)變。XIROC的晶體結(jié)構(gòu)減緩了氧化鋯的溶解度。XiROC 95 RT僅顯示出極小的顯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。其界面轉(zhuǎn)變厚度小于300 μm。

中試電熔爐也被用于研究XiROC與AZS材料作為池壁的性能。該測試在1500℃的鈉鈣玻璃中進(jìn)行了2個(gè)多月，每對電極4kW (總功率12kW)。結(jié)果表明，與AZS材料對比，XiROC的侵蝕速度較慢，特別是在磚的下部和液面線處。

試驗(yàn)后的AZS 40和XiROC 95池壁磚

侵蝕形貌的3D掃描 (XiROC: 黑色；AZS：紅色)

我們觀察到XiROC 95的侵蝕程度較輕，也不是高鋯產(chǎn)品常見的向上鉆蝕侵蝕形貌。其表面光滑致密，而AZS 40的表面則發(fā)生了轉(zhuǎn)變和腫脹，正如在U形樣品測試中所看到的那樣。

因此，在鈉鈣玻璃中，建議使用XiROC 95來延長流液洞壽命并適應(yīng)新的熔化條件，比如電熔爐。

03
中硼硅玻璃中的試驗(yàn)

西普耐材在1550℃的中硼硅玻璃中，對AZS 40和XiROC也進(jìn)行了比較。

AZS 40 U形樣品侵蝕嚴(yán)重，其“腿”的棱邊變圓。而XiROC 95 RT樣品的頂部或腿部沒有顯示出任何的體積損失。

U形磚的侵蝕形貌

XiROC 95 RT對玻璃質(zhì)量的有益影響

AZS 40的氧化鋯含量較低，導(dǎo)致侵蝕快；具有較厚的玻璃-耐材界面層，導(dǎo)致較高的侵蝕快和轉(zhuǎn)變。其界面區(qū)顯示氧化鋯晶體與氧化鋁分離，以及高度轉(zhuǎn)化的玻璃相。AZS 40的玻璃耐火界面會形成一次和二次晶體以及富含氧化鋁和氧化鋯的玻璃，從而導(dǎo)致玻璃缺陷，例如夾雜物，條紋和癤瘤。

微觀結(jié)構(gòu)：AZS從皮到里的形貌。鈉鈣玻璃中U形樣品200小時(shí)后

相比之下，高鋯和XiROC 95 RT沒有這一層厚擴(kuò)散界面，這解釋了為什么這些材料不易產(chǎn)生缺陷。

為了實(shí)現(xiàn)玻璃行業(yè)脫碳，玻璃制造商將不得不讓耐火材料承受更嚴(yán)酷的溫度和爐內(nèi)氣氛。SEFPRO開發(fā)了一套整套實(shí)驗(yàn)，以幫助客戶選擇正確的耐火材料，并預(yù)測其在電熔化、混合熔爐和氫氣燃料中的侵蝕現(xiàn)象。

這些測試表明，需要更耐侵蝕的耐材，特別是池壁和流液洞。所開發(fā)的XiROC 95 RT結(jié)合了氧化鋯的優(yōu)異耐侵蝕性和氧化鋁的鈍化性能。與標(biāo)準(zhǔn)AZS相比，這種新材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗侵蝕性能，與高氧化鋯耐火材料相比，具有更好的抗向上鉆蝕能力。此產(chǎn)品現(xiàn)在已成功地應(yīng)用在了幾個(gè)工業(yè)玻璃窯爐中。

原標(biāo)題：延長凈零碳玻璃窯爐壽命的新型熔鑄耐火材料——XiROC 95 RT