鈦冶金過程的沸騰氯化主要在沸騰氯化爐內(nèi)進行，而內(nèi)襯耐火材料則是沸騰氯化爐最為重要的組成部分，是關(guān)系到其能否正常使用和運行的關(guān)鍵。
一：氯化爐內(nèi)襯結(jié)構(gòu)簡介及損壞原因
整個沸騰氯化爐內(nèi)襯的主要作用是形成氣流邊界，形成撞擊流的約束，使得物料合理流態(tài)化。并在高溫反應下起到隔熱、絕熱的作用。在整個運行過程中，氯化爐內(nèi)成分十分復雜，主要成分為：高鈦渣顆粒，TiCI4、CL2、02、CO、CO2、N2等。
爐底和反應段內(nèi)襯正常工作溫度為900～1O00℃，這一區(qū)域主要承受爐料在撞擊流作用下 的直接沖擊和摩擦作用。該部位因承受物料的沖擊、上升的磨損氣體侵入、碳沉積發(fā)生反應而容易發(fā)生內(nèi)襯材料的損壞。其損壞原因主要有 ：
a．熱的作用：即熱負荷、熱沖擊 ；
b．化學作用：由于氯氣、堿金屬、渣等化學元素的侵入，造成內(nèi)襯材料渣化和損壞，以及氯氣與耐火材料的化學作用；
c．機械作用：由于物料顆粒的摩擦和含塵煙氣磨損造成內(nèi)襯材料的受損。
二：氯化爐內(nèi)襯損壞機理分析
沸騰氯化爐內(nèi)襯材料主要采用AL2O3和SiO2，物相組成主要為莫來石，主要化學成份及物理性能測試見表1
從熱力學上看，AL2O3—SiO2系材料各物相在氯化反應中：莫來石相A3S2最不穩(wěn)定,其成份見表2，石英相SiO2最穩(wěn)定，剛玉相AL2O3居中;在碳熱還原中;石英相最不穩(wěn)定,剛玉相最穩(wěn)定,莫來石相居中。在實際中，爐襯材料是如何損壞的，其過程是怎樣發(fā)生的，這要從殘 磚顯微結(jié)構(gòu)分析人手。
從殘磚顯微結(jié)構(gòu)和能譜分析結(jié)果來看,從原質(zhì)層、變質(zhì)層到反應層,爐襯耐火材料中(主要為莫來 石相和石英相)的AL2O3/SiO2。比值是不斷升高的,說明爐襯材料中的SiO2是向外不斷“流失”的。從動力學上來,耐火材料中的SiO2,以固相形式向外遷移是十分困難的。從熱力學上看，在磚內(nèi)部(變質(zhì)層)沒有C參與反應的情況下，CL2與SiO2反應形成 SiCL4,以SiCL4氣體形式向外遷移是不可能的。因此,在氯化爐工況條件下,爐襯材料中內(nèi)部SiO2 的“流失”現(xiàn)象只能以SiO氣體形式向外遷移，這可能是SiO2碳熱還原反應所引起。SiO2碳熱還原反應過程如下：
SiO2+2C=Si+2C0(g) (1)
si+C=SiC (2)
SiO2+3C=SiC+2C0(g) (3)
SiO2+C=SiO(g)+CO(g) (4)
SiO(g)+2C=SiC+CO(g) (5)
SiO(g)+C+2CL2(g)=SiCL4(g)+CO(g) (6)
SiO2+CO(g)=SiO(g)+CO2(g)△G=△G°+RTIn(Psi0 Pc02/Pco) (7)
根據(jù)相律，在Si—C一0系統(tǒng)在不變點同時可有5個以上的相：P=3+2=5。即在形成SiC的溫 度條件下，此反應開始發(fā)生溫度為1350~C左右，該Si-C-0系統(tǒng)可含有下列單獨物質(zhì)：C，Si， SiO，SiO2，SiC、CO和 CO2。
在C過量并直接參與反應的情況下，反應體系中不存在CO 。從動力學角度看，基元反應多數(shù)是單分子反應和雙分子反應，三分子反應不多，四分子反應更少，所以除少部分緊密結(jié)合、相互包圍的SiO2與 C直接通過式所示固相反應生成SiC晶核之外，SiO與3個C分子同時相遇發(fā)生反應的幾率較小，即式 (3)所示反應發(fā)生的程度非常有限，更應被視為幾個加合反應的總反應式。在Si—C一0系統(tǒng)反應中，C和SiO2為反應原料，Si和 SiO是反應的中間產(chǎn)物，SiC和CO為最終產(chǎn)物。Si的熔點為1410℃，沸點為2355℃，而SiO在1180℃以下任何溫度都不穩(wěn)定，在高溫下以氣態(tài)存在，所以體系中只存在SiO2、C、CO、SiO、SiC等幾種可能的物相。可以確定，碳熱還原SiO2，的基元反應步驟為：SiO2+C=SiO(g)+CO(g)；SiO (g)+2C=SiC+CO(g)。但事實上有CL2存在，SiO2碳熱還原的基元反應中，第2步可能沒有按式(6)進行，而是按式 (7)進行，從而導致爐襯耐火材料中SiO2的不斷“流失”。在殘磚的表面反應層，SiO2的“流失”可能是按此過程損毀的，這與殘磚反應層顯微結(jié)構(gòu)中看不到SiC是相吻合的。
在C過量但并不直接參與反應的情況下(即PCO/PCO比值較大 )，反應體系中不存在C，那 么SiO2：碳熱還原的反應將按照式 (7)進行。經(jīng)過熱力學計算，式 (7)反應開始溫度為1400℃左右。爐襯殘磚在爐況不正常超溫情況下形成變質(zhì)層，其中的SiO2的“流失”可能是按此過程損毀的。