《工业加热》第

34 卷 2005 年第 4 期

炉用材料

常用的制备方法是料浆涂覆法，首先将涂层的各组分原

料配制成悬浮性较好的料浆，再在含碳耐火材料基体表

面上喷涂或刷涂，料浆附着在基体表面上形成一层料浆

薄层，阴干后，料浆中的粉料通过粘结剂的粘结作用在

基体表面形成一层粉料涂层

1, 12~16

。因而，在原始状态

下，涂层是多孔性的不致密层，所以在常温大气条件下，

大气中的氧化性成分能通过这层多孔性的涂层进行扩散。

由此可见，在料浆涂覆的常温原始状态下，抗氧化涂层

起不到隔离氧化性气氛的作用。当对涂层进行加热时，随

着加热温度的升高，涂层渐渐脱水烘干，进而开始烧结，

涂层中的气孔尺寸不断减小，孔隙率逐渐降低，透气性

下降，涂层厚度减薄。在温度达到涂层软化温度时，涂

层开始软化熔融，涂层孔隙率急剧下降，密度增大

；随

着温度的进一步升高，涂层熔融为液态，形成不透气的

致密的液态玻璃相粘附层

1, 12~17

。由此可见，料浆涂覆

法制备的抗氧化涂层在含碳耐火材料基体的加热过程中

经历了两种状态，即在短的加热升温时间里，涂层粉料

升温与烧结，涂层处于逐渐致密化的状态

；而在较长的

加热升温和保温时间里，涂层粉料熔化而呈熔融状态，在

含碳耐火材料基体表面形成致密的、不透气的液态玻璃

相粘附层隔离氧化性气氛，达到防止含碳耐火材料高温

氧化的目的。

由于含碳耐火材料基体表面氧化所需的氧化性气体

成分是经过扩散方式抵达基体表面的，由质量扩散的斐

克定律

＝・d /d

式中

：为质扩散通量；为质扩散系数；d /d 为摩尔浓

度梯度。可见，要保护含碳耐火材料不被氧化，就必须

使扩散抵达到基体表面的氧化性气体成分为零，即＝0。
由斐克定律可知，则有质扩散系数为零或摩尔浓度为零。

若

＝0，则意味着氧化性气体成分的扩散通道被完全阻

隔，即涂层致密不透气

；若 d /d ＝0，则有＝常数，在

此条件下，要使含碳耐火材料表面不被氧化，则基体表

面处的氧化性气体成分浓度为零，故有

：常数＝0，即含

碳耐火材料处于非氧化性气氛条件下，这与所要研究的

工况条件不符。

由上述分析可见，对于高温氧化性气氛条件下的含

碳耐火材料要防止表面氧化就必须使＝0。对于抗氧化
涂层来说，由于烧结前孔隙率较高，气孔尺寸较大，因

而通过涂层的质扩散系数也较大，涂层的抗氧化作用较

差

；随着涂层烧结的开始与发展，孔隙率逐渐减小，相

应的质扩散系数也逐渐减小，涂层则逐步表现出其抗氧

化作用

；随着涂层软化的开始与进行，涂层孔隙率急剧

下降，相应的质扩散系数也急剧减小，涂层的抗氧化作

用显著提高

；在涂层熔融形成不透气层后，基体表面就

不被气氛所氧化

。

由含碳耐火材料的高温氧化特性研究结果可知

6, 11, 16

，

含碳耐火材料在空气中加热时，当温度达到 600 ℃时开
始氧化，但此时氧化速度极慢

；随着温度的升高，氧化

速度加快，重量损失增加，含碳耐火材料组织疏松、强

度下降。由此可见，含碳耐火材料的抗氧化涂层应在

600 ℃时就开始以高粘度状态粘附在含碳耐火材料的基体

表面而不流失，形成致密的涂层隔离氧化性气氛，并保

持这一状况持续到含碳耐火材料在实际生产中的正常烘

烤最高温度，约为 1 200 ℃。

3 含碳耐火材料抗氧化性涂料的性能要求分析

由武钢钢铁生产的实际过程可知，冶金炉窑热工设

备上含碳耐火材料的氧化问题主要发生在设备自然条件

下的烘烤过程，据实际观察发现，铝碳砖每次烘烤时有 5
～ 10 mm 厚的砖衬被氧化，镁碳砖衬也同样出现严重的
氧化现象，由现场烘烤温度数据可知，一般冶金炉窑热

工设备烘烤的最高温度为 1 200 ℃左右。根据抗氧化涂层
的抗氧化原理分析可见，涂层的致密不透气性是抗氧化

作用的关键，同时，要求涂层与砖体结合牢固、涂层不

开裂、不脱落，并在含碳耐火材料烘烤时的氧化温度范

围内保持高粘度不流失的熔融状态，阻隔氧化气氛向耐

火材料表面的扩散，防止含碳耐火材料的氧化

12~16

。根

据涂层使用过程不脱落、不开裂的技术要求，首先必须

考虑涂料与含碳耐火材料之间热膨胀系数的匹配问题

；由