炭黑反应器用耐火材料-耐火材料行业动态-耐火砖高铝砖刚玉砖浇注料河南耐火材料厂-宏泰耐材

炭黑主要是元素碳熔融或结合的近似球状颗粒的聚集体。当今主要采用油炉工艺进行生产，生产出不同品种和不同粒度的炭黑。今天介绍下炭黑生产工艺简况及炭黑反应器用耐火材料。

1、炭黑生产工艺简况

炭黑的生产大部分采用燃油炉。通常，燃油炉工艺采用—种类似很大的燃油器的圆筒形反应器，由4个带(或室)组成，即燃烧带(室)、节流环(室)、反应带(室)和急冷带(室)。

在燃烧带增加的预热空气和燃烧的原料提供生产过程所需要的高温，同时亦为原料进入反应带的通道起点。

节流环将燃烧带和反应带分离，同时提高进入反应带的气体速度。

反应带形成炭黑，并通过温度、气体速度和随着原料引入的不同“种子”材料而控制炭黑的颗粒大小、形状和硬度。

急冷带通过喷水使温度急剧下降，从而结束炉内反应。操作温度在反应器全部反应过程中变化不定。加温操作从燃烧带的前端开始，向着节流环温度越来越高。在节流环处温度最高，速度最快。在反应带，温度稍有下降，速度变得相当缓慢，通过沿着冷却带不同位置喷射冷却水来改变反应时间的长短，即通过急速喷水来降低温度。

此外，当生产炭黑的品种改变时，通常会发生温度的剧烈波动，当冷却带的位置改变时，也会引起温度的急剧变化，这种温度剧变都会引起耐火砖剥落损毁。

炭黑颗粒的大小受炉子尺寸、结构、温度和冷却前在反应带停留的时间长短的限制，而操作温度和第—次喷水的位置则取决于炭黑的等级。

2、反应器用耐火材料的选择

最理想的炭黑反应器用耐火材料应具有耐火度高、抗热震稳定性好、密度大、气孔率低和抗高温腐蚀、侵蚀性强等优点。

大多数炭黑反应器内衬采用A12O3—SiO2质耐火砖砌筑，其中靠内衬则采用高铝砖或者粘土耐火砖砌筑。操作温度范围不同时需要选用不同档次的耐火材料筑衬。在低温(1550～1750℃)范围内操作的反应器内衬，—般选用莫来石结合的刚玉砖砌筑。有时在冷却带则选用高纯度的高铝砖砌筑。

在高温(1750～1925℃)范围内操作的反应器内衬，通常都进行分区砌筑，在燃烧带的热面，—般选用90％A12O3—10％SiO2的耐火砖筑衬；在高温节流环和反应器热面，则选用99％Al2O3的刚玉砖和具有良好的抗热震性能的铬刚玉砖砌筑。

在超高温(大于1925℃，即2000～2100℃)范围，则选用高铬砖砌筑。

2.1 Si02—A1203质耐火材料在SO2—Al2O3系耐火材料中，当W(Al2O3) ＞90％时，被称为刚玉砖。当使用纯净SiO2和A12O3材料生产刚玉砖时，其液相出现的温度为1840℃。

采用传统的工艺生产的刚玉砖，其物理性能和使用性能并不能达到非常理想的程度，其抗热震性都较差。现在通过使用纯净原料和原位形成的结合技术等，刚玉砖的物理性能和使用性能有了长足的进步，品种不断增加。其中，原来莫来石结合90％Al2O3的刚玉砖和特殊Al2O3，结合94％Al203，甚至98％Al2O3的刚玉砖都先后开发出来了。

这些特殊刚玉耐火砖比同材质的传统刚玉耐火砖的气孔率更低，密度更高，强度更大，尤其是抗热震性非常突出。50mm×50mm×76mm样品在1200％保温10min、水冷2min，空气中放置干燥8min为—循环在40次以上，而传统耐火砖仅为2～7次，即使是传统莫来石刚玉砖也只有10～15次。

特殊莫来石结合刚玉砖主要用于低温炭黑反应炉中，或者用于高温炭黑反应炉的冷却带。实际使用结果表明，在燃烧和限制带使用时，特殊莫来石结合90％A12 O3的刚玉砖的使用寿命比同材质传统莫来石—刚玉砖高50％～200％，大大延长了炉子的使用寿命。特殊A1203结合刚玉砖(95％—98％Al2O3)，主要用于炭黑反应炉中使用条件苛刻的反应带，其使用温度极限可达2000℃

2.2 Al2O3—Cr2O3质耐火材料

A 在1800℃以上使用的Al2O3—Cr2O3材质

为了能适用温度超过1800℃的炭黑反应炉的燃烧室等部位内衬使用，而且抗蚀性能好、抗热震性高，通常的做法是向刚玉砖中配入—定数量的工业Cr2O3粉以改善其高温性能。

其高温抗折强度随Cr2O3含量的增加而提高。研究结果还表明，由随Cr2O3含量的增加还改善了该类耐火砖的抗热震性和耐磨性能。

Al2O3—Cr2O3质(10％Cr2O3)耐火浇注料用作炭黑反应炉的燃烧室、喉管以及反应段等接触高温气体部位的工作内衬时，可确保炭黑反应炉在高于1800℃的操作条件下安全运行。

B 在超高温条件下使用的Cr2O3—A12O3材质

在温度超过1925℃，即2000～2100℃的条件下，由于刚玉砖已经不能胜任。例如，生产用于制造低滚动摩擦轮胎的硬质炭黑的反应炉，其操作温度高达2100℃。在这种条件下，需要根据超高温的使用条件，开发出更加优质耐火砖来与之相适应。

研究和开发炭黑反应器超高温条件下使用的内衬耐火材料的性能要求如下：

(1)高耐火度，以避免熔融和允许更高的操作温度；

(2)热震稳定性好，以减少裂纹和剥落损坏；

(3)低气孔率(高密度)，以提高抗腐蚀／侵蚀能力。

根据炭黑内衬耐火砖研究结果和在高温(1750～1925℃)条件下使用铬刚玉砖已有的经验，认为开发在超高温条件下使用的炭黑反应器内衬耐火砖应从Cr2O3—A12O3系统中去选择。

高Cr2O3含量的铬刚玉砖作为炭黑反应器内衬耐火材料应用时，在高温操作条件下，可延长使用寿命。在超高温操作条件下也可确保反应器的正常运转。另外，实际使用结果表明：在使用高灰分或者高钒燃烧油的限流室和由于间断高温而引起熔融的限流室使用固溶体结合的高Cr2O3含量的Cr2O3—A12O3质耐火砖时，都延长了使用寿命，而且可以使炭黑反应炉中的操作温度比以前的极限温度提高150～170℃。

通常，由于高Cr2O3含量的铬刚玉砖非常昂贵，所以，只在大约2100℃操作的炭黑反应器(即在生产硬质炭黑时)中才选用，而且是采用综合砌筑方案，即用70％Cr2O3、25％A12O3耐火砖砌筑最高温度处，而用20％Cr2O3、25％A12O3砖砌筑低温处，可获得较佳的经济／技术效果。

2.3 ZrO2质耐火材料

纯ZrO2是由含锆矿石中提炼出来的，高纯ZrO2为白色粉状。其熔点高，密度大，莫来石硬度为6.5，导热系数较小，热膨胀系数较大(25—1500℃，α=9.4×10^-6／℃)，而且同温度的关系很弱，化学稳定性好，在2000～2300℃下的高温蒸气压很低，蒸发速度不大，分解压力也很低。因此，ZrO2质耐火材料是高温炉衬的—类重要耐火砖。

2.4高纯MgO砖

早就确定，高纯度镁砖是高温炉炉衬的结构材料，其使用温度可达到2200℃。但是，在这种条件下(例如炭黑反应器中的超高温环境中)应用时，高纯镁砖的镁砂纯度和性能却需要进行仔细平衡。

我们知道，耐火砖(包括镁砖)不只是要耐高温和耐腐蚀／侵蚀，在使用时还必须尽可能不产生变化。—般认为镁砂纯度以及物理性能上的气孔率和方镁石晶粒尺寸等都是提高高纯镁砖使用寿命的关键参数。

镁砂中MgO含量是镁砂质量的重要指标。但只用MgO含量作为评价标准是不够的，杂质的相对含量，特别是那些在高温条件下容易形成熔体的成分的含量也很重要。在杂质成分中，首先是B2O3和SiO2，其次是A12O3、Fe2O3、MnO以及CaO。它们的影响不仅取决于其含量，特别是要根据CaO／SiO2比来评价各成分对镁砂质量的影响，通常希望镁砂中具有高CaO／SiO2比，以便获得最佳的高温性能。

在超高温环境中使用的镁砖则需要高纯度。因为高纯度的镁砖具有高的高温强度，镁砖的高温抗折强度随MgO含量由90％～98％有缓慢下降的趋势，但MgO含量超过98％时则突然增加了，其中MgO含量增加到99％以上时能显著地提高其高温强度。在这种情况下，杂质种类的影响已经变得无足轻重了。因为在这种情况下，杂质孤立存在于方镁石晶粒交接处(角隅)，所以MgO—MgO直接结合组织发达，高温强度大，材料的耐磨性高，抗腐蚀／侵蚀性强。