氧化鋁陶瓷作為脫氯反應器內襯的研究

孫劉恒

（中冶華天工程技術有限公司煉鐵事業部，安徽馬鞍山 243005）

1 引言

廢塑料的主要成分是碳氫化合物，具有較高的熱值和良好的燃燒性能，對于高爐煉鐵是一種比煤粉和焦炭更好的能源。由于特有的化學和機械性質，聚氯乙烯（PVC）在塑料中占有很大的比例，得到廣泛應用。PVC 氯的含量比較高，在進行熱處理時會產生鹽酸、氯氣和二噁英，會導致環境污染。PVC 在高爐內燃燒后生成的HCl，會對設備及生態環境造成破壞。因此，在噴入高爐之前，必須對PVC進行脫氯處理。熱解脫氯是重要的脫氯方法，脫氯過程中會產生大量的HCl 氣體[1]。

HCl 對金屬的腐蝕主要是點蝕、縫隙腐蝕和析氫腐蝕[2]。陶瓷與其他材料相比最顯著的優點就是它們良好的綜合性能，如高硬度、高熔點、良好的抗侵蝕和腐蝕性能，以及在腐蝕環境下具有很高的化學惰性[3]。Al2O3陶瓷是目前世界上生產量最大、應用面最廣的陶瓷材料之一，作為耐高溫、抗腐蝕、耐磨損的機械零部件材料取代金屬和合金也已取得顯著效果[4]。

2 實驗材料與方法

在實驗中采用的是熱解含氯廢塑料間歇式脫氯裝置[5]，熱解脫氯方式是間歇式、外部加熱（內襯的內外溫差大）、非造渣型炭化方式，脫氯的最佳溫度是325℃[6]。本文主要通過改變配方和燒結制度研制一種具有優良抗HCl 氣體腐蝕和熱震性能Al2O3陶瓷作為PVC 脫氯反應器的內襯。

2.1 Al2O3陶瓷配方的設計

因為CaO-MgO-Al2O3-SiO2系Al2O3瓷料具有燒結溫度低，晶粒較細，組織結構較細密，抗酸、堿腐蝕能力較強等優點[7]，所以在本文研究中選用的也是CaO-MgO-Al2O3-SiO2系Al2O3瓷料，再加入其他添加劑來促進其燒結性能、抗熱震性、抗HCl 腐蝕性能。在CaO-MgO-Al2O3-SiO2系，為了使瓷料具有較低的燒成溫度，瓷料的組成除S/C 比值應處于1.6～0.6 的范圍內外，還應控制MgO 含量不超過熔劑類氧化物（CaO＋MgO＋SiO2）總量的1/3[7]。MgO 對抑制Al2O3晶粒長大作用非常明顯，其加入量在0.5%中游即可。在Al2O3中加入2%左右的TiO2后，可使Al2O3瓷的燒結溫度降到1 600℃以下。添加劑可提高陶瓷制品的耐酸性能，當Na2O∶K2O（質量百分比）=2∶3 時，添加MgO，則酸穩定性可提高到98%[8]，在本實驗中用Na2CO3和K2CO3代替Na2O和K2O。在較高的燒結溫度下不宜長時間保溫，否則會因晶粒的快速長大而不利于致密化[9]。在Al2O3瓷料中，添加一定的CaO、MgO。采用半干壓法成型，壓制壓力為10 MPa，燒結溫度為1 550℃。選用正交表L9（34）進行實驗設計，因素和水平見表1。

表1 實驗因素和水平表

2.2 Al2O3陶瓷試樣的制備

制備Al2O3陶瓷前在工業氧化鋁中加入3%H3BO3，在1 450℃下煅燒，使γ-Al2O3轉化為α-Al2O3[8]。然后按照正交表L9（34）進行實驗設計，并按設計好的配方配料，然后加入適量的水球磨24 h，在115℃下烘干后過篩，進行半干壓成型（10 MPa），最后在1 550℃下進行常壓燒結。

3 實驗數據與分析

3.1 Al2O3陶瓷物理性能（見表2）

對制備出的Al2O3陶瓷試樣進行了物理性能測試，所得數據見表2。

表2 Al2O3陶瓷物理性能表

表2 中，m1為干燥試樣的質量，g；m2為飽和試樣的表觀質量，g；m3為飽和試樣在空氣中的質量，g；Wα為吸水率，%，Wα=（m3-m1）/ m1×100%；Pα為顯氣孔率，%，Pα=（m3-m1）/（m3-m2）×100，%；Db為體積密度，g/cm3，Db=m1·Dl/（m3-m2）；Dl為試驗溫度下浸漬液體的密度，g/cm3，這里取1 g/cm3[10]。

3.2 Al2O3陶瓷抗熱震性能的測定

選用強度法按測定Al2O3陶瓷的抗熱震性能。強度法，加熱試樣并在水中驟冷后測彎曲強度，找出與室溫彎曲強度沒有明顯下降的最大溫差ΔTfe[11]。

分別在室溫下測量了原始試樣以及分別加熱到200、400、600、800、1 000℃后在水中驟冷后的試樣三點彎曲強度，見圖1。

圖1 三點彎曲強度測定原理

按照公式（1）計算試樣的三點彎曲強度：

由公式（1）計算出的彎曲強度及ΔTfe，如表3所示。

3.3 數據處理

對正交試驗所得的數據采用綜合評分法進行分析，先對每種實驗方案的試驗指標進行比較分析，對它們進行排名、評分，再根據這個分數，用直觀分析法作進一步分析。

通過直觀分析法得出結論，各因素對試驗指標的影響按大小次序來說應是A＞D＞B＞C；最優的方案應當是A2B3C3D3。可以看出，分析出的最優方案在已做過的9 次試驗中沒有出現，與它比較接近的是第4 號試驗中只有因素B 和C 不處于最高水平，而因素B 和C 是這4 個因素中的次要因素。從實際結果中可以看出，第4 號試樣的試驗指標是這9 次試驗中最好的，這也說明我們找出的最好方案是符合實際的。

表3 Al2O3陶瓷熱震實驗數據

3.4 在脫氯的條件下對4 號試樣進行抗HCl 腐蝕實驗

圖2 和圖3 分別是試樣4 腐蝕前和腐蝕后的SEM 照片，表4 和表5 分別是試樣1 腐蝕前和腐蝕后的能譜成分。

圖2 原始試樣4SEM照片

圖3 腐蝕后試樣4SEM照片

通過比較可以看出，腐蝕后的試樣的結構沒有發生明顯變化。從能譜成分可以看出，經腐蝕后的試樣表面沒有出現Cl 元素，這就說明試樣4 具有很強的抗HCl 腐蝕性能。從表5 的Spectrum 3 處的成分中可以看出有大量的C，這是由于在脫氯時PVC 發生裂解，生成了碳黑，所以此處的成分不能說明腐蝕前后成分上的差異。

4 結論

通過正交實驗研制出了一種新型的Al2O3陶瓷，它的體積密度達到3.44 g/cm3，熱震溫差達到800℃，在脫氯反應器工作條件下具有非常好的抗HCl 腐蝕的能力，完全適合用作脫氯反應器的內襯；添加適量的添加劑可以提高Al2O3陶瓷的性能，在MgO 含量一定的前提下，添加適量的Na2CO3和K2CO3可提高Al2O3陶瓷致密性、抗熱震性能和抗HCl 腐蝕性能。

表4 原始試樣4EDS表

表5 腐蝕后試樣4EDS表

[1]孫劉恒，龍世剛.含氯廢塑料脫氯反應器內襯材質研究[J].天津冶金，2009（1）：4-7.

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[3]Fang Q，Sidky P S，Hocking M G.The Effect of Corrosion and Erosion on Ceramic Materials[J].Corrosion Science，1997，39（3）：511-527.

[4]尹衍升，張景德.氧化鋁陶瓷及其復合材料[M].北京：化學工業出版社，2001.

[5]安徽工業大學，寶山鋼鐵股份有限公司.熱解含氯廢塑料間歇式脫氯裝置[P].中國：ZL 03277932.1，2003.8.

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[7]李康時.陶瓷工藝原理[M].廣州：華南理工大學出版社，1989.

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[9]譚偉，肖漢寧，易雯雯，等.工藝條件對低溫燒結90 氧化鋁陶瓷顯維結構及性能的影響[J].中國陶瓷，2004（4）：13-17.

[10]祝桂洪.陶瓷工藝實驗[M].北京:中國建筑工業出版社，1987.

[11]GB/T16536—1996，工程陶瓷抗熱震性試驗方法[S].