耐火材料在有色冶金中煉鋁行業(yè)的應(yīng)用

有色冶煉主要分為以下幾大塊：煉鋁、煉銅、煉鉛、煉鋅、煉鎳、金銀，在此逐個(gè)介紹這些有色冶煉用的耐火材料。

 

在世界有色金屬生產(chǎn)中，鋁的年產(chǎn)量占據(jù)重要位置，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他有色金屬。鋁工業(yè)每年消耗的耐火材料比銅、鉛、鋅冶煉消耗的耐火材料的總量還多得多。金屬鋁的生產(chǎn)方法為固定的 兩步制取法:一，用濕法從鋁磯土礦中制取氧化鋁;二，以工業(yè)氧化鋁為原料,采用熔鹽電解法制取金屬鋁。生產(chǎn)過程中所使用的高溫窯爐有回轉(zhuǎn)窯、熔鹽電解槽、熔鋁爐等。

 

鋁工業(yè)爐的耐火材料消耗量很大。其原因在于,在制取AI2O3時(shí)，物料中堿性物質(zhì)對(duì)回轉(zhuǎn)窯耐火材料的侵蝕特別嚴(yán)重。在熔煉鋁的過程中，即便在較低溫度下，金屬鋁仍具有很強(qiáng)的滲透能力，一旦滲入磚內(nèi)，將與磚中的SiO2反應(yīng)， 把Si還原出來，破壞了耐火材料的組織結(jié)構(gòu)， 使?fàn)t襯產(chǎn)生變質(zhì)層，疏松、剝落而損毀。其反 應(yīng):3SiO2 + 4Al —2Al2O3 + 3SiO

 

因此，含SiO2的耐火材料均不宜作為金屬鋁熔煉設(shè)備的筑爐材料。所以一般鋁工業(yè)爐用耐火材料，除高鋁磚外,常用碳質(zhì)制品。

 

 

 

 

一、氧化鋁回轉(zhuǎn)窯用耐火材料

 

目前，由于原料的原因，我國(guó)氧化鋁的生產(chǎn)流程大多采用燒結(jié)法和聯(lián)合法。鋁礬土的干燥、煅燒，氫氧化鋁的焙燒等工藝大多釆用回轉(zhuǎn)窯。近年來，引進(jìn)的流態(tài)化焙燒裝置已普遍使用，但在一些老廠回轉(zhuǎn)窯仍占較大的比重。

 

回轉(zhuǎn)窯是氧化鋁熟料的燒結(jié)窯。在制取氧化鋁時(shí)，先將鋁礬土與純堿和石灰按比例配料裝進(jìn)回轉(zhuǎn)窯，經(jīng)過1200~1300℃煅燒后出窯，而后經(jīng)適當(dāng)處理制成氫氧化鋁及母液;將氫氧化鋁裝進(jìn)回轉(zhuǎn)窯中，在I200℃的高溫煅燒即可制成。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煅燒過程為：高溫火焰和被加熱物料在爐內(nèi)作逆向運(yùn)動(dòng)。堿石灰鋁磯土生料漿（含水40%）或氫氧化鋁（含水12% ~ 18%）由窯尾加入，經(jīng)低溫干燥脫水、加熱、高溫煅燒，從窯頭出料而高溫氣體由窯頭向窯尾流動(dòng)。因此窯內(nèi)分為預(yù)熱帶和高溫?zé)鯚龓А榉乐節(jié){料在加熱煅燒過程中粘結(jié)窯襯和強(qiáng)化傳熱 過程,在耐火材料砌體間還設(shè)置有鏈條,在窯體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，不斷地打擊物料和襯磚，對(duì)窯襯的使用壽命有一定的影響。

 

氧化鋁生產(chǎn)用回轉(zhuǎn)窯窯體為鋼板焊接而成 的筒體，內(nèi)襯耐火材料。耐火材料工作環(huán)境惡劣、條件苛刻。它應(yīng)當(dāng)具有如下一些特性:抗堿侵蝕能力強(qiáng)；能長(zhǎng)期處于1200~1300℃高溫下工作而不損毀;能承受動(dòng)載荷的沖擊;能抵抗?fàn)t料的侵蝕;能耐高溫氣流的沖蝕。回轉(zhuǎn)窯所使用的耐火材料以高鋁磚為主，低溫干燥窯則使用黏土磚做內(nèi)襯。

 

現(xiàn)在,不定形耐火資料在鋁工業(yè)得到了廣泛的運(yùn)用，在回轉(zhuǎn)窯的窯口由于受到物料的高 溫磨損和熱震應(yīng)力的作用,窯口極易變形損壞；在氧化鋁熟料窯的過渡帶，環(huán)境溫度為400~ 1000℃：，受堿腐蝕和機(jī)械性損壞（震動(dòng)、歪曲）嚴(yán) 重，內(nèi)襯經(jīng)常脫落?；剞D(zhuǎn)窯也有用鋼纖維增強(qiáng)澆注料的，主要用在預(yù)熱帶、窯口、窯尾、冷卻機(jī)。

 

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產(chǎn)進(jìn)程中的結(jié)尾一道工序，主要是烘干氫氧化鋁濾餅中的附著水、結(jié)晶水，并將一部分β型氧化鋁轉(zhuǎn)化成α型氧化鋁。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)主要氧化鋁廠家的氫氧化鋁 焙燒已悉數(shù)或部分釆用引入的流態(tài)化焙燒裝 置。流態(tài)化焙燒設(shè)備分流態(tài)化閃速焙燒爐、循 環(huán)流化床焙燒爐、懸浮焙燒爐3種爐型，盡管所運(yùn)用的耐火材料不盡相同，但都很多運(yùn)用不定形耐火資料（耐火可塑料或耐火澆注料），其用量占所用耐火資料的50%~70%。流態(tài)化閃速焙燒爐的不定形耐火材料悉數(shù)從德國(guó)引入, 循環(huán)流化床焙燒爐的耐火材料悉數(shù)為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。

 

氧化鋁氣體懸浮焙燒爐是用來焙燒氫氧化 鋁的專用設(shè)備，其工藝及自動(dòng)化水平都很高,焙 燒進(jìn)程在高溫爐體的作業(yè)溫度約1200℃,高風(fēng)速 的條件下完結(jié)，同時(shí)由于所處理的氧化鋁物料 硬度較大,流動(dòng)性好,對(duì)氧化鋁產(chǎn)品的質(zhì)量有很嚴(yán)厲的要求，內(nèi)襯資料任何雜質(zhì)的混入都直接影響產(chǎn)品的功能，因而要求耐火資料須滿足下列條件:耐高溫、耐磨損、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定功能好，整體性好，密封性強(qiáng)。

 

電解槽是生產(chǎn)電解鋁的核心設(shè)備,電解槽通常為矩形鋼殼，內(nèi)襯炭磚。電解 槽中懸有一炭陽(yáng)極，其炭質(zhì)槽底為陰極。鋁電解選用冰晶石、氟化鋁、氟化鋰等熔液為電解質(zhì)，在970℃左右將AI2O3熔化,在電場(chǎng)力的作用下電離，電解復(fù)原出來的金屬鋁熔體沉積于槽底陰極，陽(yáng)極放出的氧與炭陽(yáng)極反響生成 CO2或CO。電化學(xué)反響放出的熱量使電解槽 與鋁保持熔融狀況，一定時(shí)間從槽內(nèi)放出的鋁液,并向槽內(nèi)添加定量的氧化鋁與冰晶石; 電解溫度為900~ 1000℃。

 

在電解槽底作業(yè)層一般用炭塊砌筑。但因碳與鈉的反響構(gòu)成新化合物，磚襯結(jié)構(gòu)松懈，強(qiáng)度降低，炭塊呈現(xiàn)裂縫。隨后電解質(zhì)和鋁液沿裂縫進(jìn)入，在高溫下鋁與碳反響 成與碳結(jié)合松散，從而使裂縫擴(kuò)展,終導(dǎo)致電解槽槽殼變形及內(nèi)襯的嚴(yán)峻蝕 損而縮短運(yùn)用壽命。因而，電解槽槽底陰極材料正由原來的無定形炭磚改為選用半石墨化炭磚或石墨化炭磚。

 

鋁電解槽側(cè)墻內(nèi)襯的損毀主要原因有:從鋼殼與磚襯間吸入空氣引起資料的氧化;高溫 下冰晶石、NaF和鋁液的腐蝕;熔體流動(dòng)造成的沖刷;溫度波動(dòng)及熱膨脹引起熱應(yīng)力。

 

鋁電解槽的側(cè)墻一直沿用無定形炭塊、石墨炭塊等，這類資料嚴(yán)重的缺點(diǎn)是抗氧化功能差，強(qiáng)度低。為了使側(cè)墻不氧化,又具有較大的電阻,側(cè)墻正朝著部分或悉數(shù)選用SiC 質(zhì)材料方向發(fā)展。氮化硅結(jié)合的碳化硅磚運(yùn)用好。氮化硅結(jié)合的碳化硅磚,其具有優(yōu)異的高溫力學(xué)功能、導(dǎo)熱性好，在內(nèi)側(cè)易構(gòu)成冷凝渣；電阻率大，削減側(cè)壁的電流丟失；材料不易被氧化;不與鋁液、冰晶石等熔體起反應(yīng);機(jī)械強(qiáng)度高，還可大大削減襯磚厚度,添加電解槽的容積，穩(wěn)定操作。例如原來用炭磚時(shí)側(cè)墻厚度約200~400mm,釆用氮化硅結(jié)合的碳化硅磚后側(cè)墻厚度只要75 mm。

 

二、槽底下面的阻擋層

 

在電解鋁生產(chǎn)中，Na與NaF的蒸氣和液 體能經(jīng)過槽底陰極材料進(jìn)入到下面隔熱層。隔熱層進(jìn)入NaF等后熱導(dǎo)率添加，電解槽熱效率降低,作業(yè)狀況惡化，直至槽子破損。陰極材料下面“阻擋層”即在陰極耐火材料與保溫材料間夾一層能阻撓電解質(zhì)滲透的資料，又具有杰出的保溫功能。一種新式“阻擋層”材料干式防滲料現(xiàn)在得到了很好的運(yùn)用。

 

碳化硅磚

 

三、熔煉爐和保溫爐用耐火材料

 

原生鋁錠及廢鋁熔化與合金化常用的熔煉爐多選用燃?xì)饣蛉加偷墓潭ㄊ交騼A動(dòng)式反射爐，也有選用電阻反射爐、感應(yīng)坩堝爐。熔煉爐內(nèi)鋁液和鋁合金化的溫度盡管只要 700?800℃，但鋁及其鋁合金中的鎂、硅與銅等都很活潑，很易與耐火材料中一些組元反應(yīng)，造成耐火材料損壞。鋁熔煉爐的腐蝕損壞機(jī)理主要是：

 

鋁液易于進(jìn)入耐火材料；

 

鋁及其合金中的合金元素對(duì)一些氧化物具有很強(qiáng)的復(fù)原能力，而且所產(chǎn)生的氧化還原反響是強(qiáng)放熱反應(yīng);一些合金元素如鎂具有很高的蒸氣壓，其蒸氣比鋁液更易進(jìn)入耐火材料，而且進(jìn)入耐火材料后隨之又被氧化,終導(dǎo)致耐火材料質(zhì)變、結(jié)構(gòu)疏松和損壞；

 

在大型熔鋁爐的熔煉進(jìn)程中，由于不斷添加鋁錠及合金,鋁錠及合金塊對(duì)爐口、爐底 及爐墻的碰擊及磨損十分嚴(yán)峻；

 

鋁錠及合金塊的參加、鋁液的流出、爐內(nèi)溫度的波動(dòng)等，對(duì)耐火材料襯體造成熱震損壞。

 

鋁熔煉反射爐用耐火材料要求抗鋁液及鎂蒸氣的進(jìn)入，有良好的抗磨損和抗熱沖擊功能等。鋁熔煉反射爐接觸鋁液的爐襯，一般選用 AI2O3含量為80%?85%的高鋁磚砌筑;熔煉高純金屬鋁時(shí)，選用莫來石磚或剛玉磚。在爐床斜坡和裝廢舊鋁料等易腐蝕和磨損的部位, 用氮化硅結(jié)合的碳化硅磚。流鋁槽和出鋁口等 部位,鋁液沖刷嚴(yán)峻，一般選用自結(jié)合或氮化硅 結(jié)合的碳化硅磚，也有用錯(cuò)英石磚作內(nèi)襯。出 鋁口阻塞物，選用真空澆鑄的耐火纖維效果較 好。不觸摸鋁液的爐襯，一般選用黏土磚、黏土 質(zhì)耐火澆注料或耐火可塑料。流鋁槽的內(nèi)襯, 一般選用碳化硅磚，也可選用電熔泡沫硅磚預(yù)制磚。

 

現(xiàn)在，隨著熔鋁爐的大型化、強(qiáng)化鍛煉的要 求,高強(qiáng)抗鋁滲透澆注料由于具有良好抗鋁液 及鎂蒸氣的進(jìn)入功能，有良好的抗磨損和抗熱 沖擊功能等得到了很好的運(yùn)用。