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    有色冶金——煉鋁用耐火材料 | 技術前沿

    2024-02-28 232

    在世界有色金屬生產中,鋁的年產量居 位,遠遠超過其他有色金屬。鋁工業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。金屬鋁的生產方法為固定的 兩步制取法: 步,用濕法從鋁磯土礦中制取氧化鋁;第二步,以工業氧化鋁為原料,采用熔鹽電解法制取金屬鋁。生產過程中所使用的高溫窯爐有回轉窯、熔鹽電解槽、熔鋁爐等。

    鋁工業爐的耐火材料消耗量很大。其原因在于,在制取AI2O3時,物料中堿性物質對回轉窯耐火材料的侵蝕特別嚴重。在熔煉鋁的過程中,即便在較低溫度下,金屬鋁仍具有很強的滲透能力,一旦滲入磚內,將與磚中的SiO2反應, 把Si還原出來,破壞了耐火材料的組織結構, 使爐襯產生變質層,疏松、剝落而損毀。其反 應:3SiO2 + 4Al —2Al2O3 + 3SiO

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

    一、氧化鋁回轉窯用耐火材料

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

    回轉窯是氧化鋁熟料的燒結窯。在制取氧化鋁時,先將鋁礬土與純堿和石灰按比例配料裝進回轉窯,經過1200~1300℃煅燒后出窯,而后經適當處理制成氫氧化鋁及母液;將氫氧化鋁裝進回轉窯中,在I200℃的高溫煅燒即可制成?;剞D窯內的煅燒過程為:高溫火焰和被加熱物料在爐內作逆向運動。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。因此窯內分為預熱帶和高溫燉燒帶。為防止漿料在加熱煅燒過程中粘結窯襯和強化傳熱 過程,在耐火材料砌體間還設置有鏈條,在窯體作旋轉運動過程中,不斷地打擊物料和襯磚,對窯襯的使用壽命有一定的影響。

    氧化鋁生產用回轉窯窯體為鋼板焊接而成 的筒體,內襯耐火材料。耐火材料工作環境惡劣、條件苛刻。它應當具有如下一些特性:抗堿侵蝕能力強;能長期處于1200~1300℃高溫下工作而不損毀;能承受動載荷的沖擊;能抵抗爐料的侵蝕;能耐高溫氣流的沖蝕?;剞D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襯。

    現在,不定形耐火資料在鋁工業得到了廣泛的運用,在回轉窯的窯口由于受到物料的高 溫磨損和熱震應力的作用,窯口極易變形損壞;在氧化鋁熟料窯的過渡帶,環境溫度為400~ 1000℃:,受堿腐蝕和機械性損壞(震動、歪曲)嚴 重,內襯經常脫落?;剞D窯也有用鋼纖維增強澆注料的,主要用在預熱帶、窯口、窯尾、冷卻機。

    氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產進程中的最后 一道工序,主要是烘干氫氧化鋁濾餅中的附著水、結晶水,并將一部分β型氧化鋁轉化成α型氧化鋁?,F在國內主要氧化鋁廠家的氫氧化鋁 焙燒已悉數或部分釆用引入的流態化焙燒裝 置。流態化焙燒設備分流態化閃速焙燒爐、循 環流化床焙燒爐、懸浮焙燒爐3種爐型,盡管所運用的耐火材料不盡相同,但都很多運用不定形耐火資料(耐火可塑料或耐火澆注料),其用量占所用耐火資料的50%~70%。流態化閃速焙燒爐的不定形耐火材料悉數從德國引入, 循環流化床焙燒爐的耐火材料悉數為國內生產。

    氧化鋁氣體懸浮焙燒爐是用來焙燒氫氧化 鋁的專用設備,其工藝及自動化水平都很高,焙 燒進程在高溫爐體的作業溫度約1200℃,高風速 的條件下完結,同時由于所處理的氧化鋁物料 硬度較大,流動性好,對氧化鋁產品的質量有很嚴厲的要求,內襯資料任何雜質的混入都直接影響產品的功能,因而要求耐火資料必須滿足下列條件:耐高溫、耐磨損、強度高、熱穩定功能好,整體性好,密封性強。

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

    在電解槽底作業層一般用炭塊砌筑。但因碳與鈉的反響構成新化合物,磚襯結構松懈,強度降低,炭塊呈現裂縫。隨后電解質和鋁液沿裂縫進入,在高溫下鋁與碳反響 成與碳結合松散,從而使裂縫擴展,最終導致電解槽槽殼變形及內襯的嚴峻蝕 損而縮短運用壽命。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。

    鋁電解槽側墻內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;熔體流動造成的沖刷;溫度波動及熱膨脹引起熱應力。

    鋁電解槽的側墻一直沿用無定形炭塊、石墨炭塊等,這類資料最喪命的缺點是抗氧化功能差,強度低。為了使側墻不氧化,又具有較大的電阻,側墻正朝著部分或悉數選用SiC 質材料方向發展。氮化硅結合的碳化硅磚運用更好 。氮化硅結合的碳化硅磚,其具有優異的高溫力學功能、導熱性好,在內側易構成冷凝渣;電阻率大,削減側壁的電流丟失;材料不易被氧化;不與鋁液、冰晶石等熔體起反應;機械強度高,還可大大削減襯磚厚度,添加電解槽的容積,穩定操作。例如原來用炭磚時側墻厚度約200~400mm,釆用氮化硅結合的碳化硅磚后側墻厚度只要75 mm。

    二、槽底下面的阻擋層

    在電解鋁生產中,Na與NaF的蒸氣和液 體能經過槽底陰極材料進入到下面隔熱層。隔熱層進入NaF等后熱導率添加,電解槽熱效率降低,作業狀況惡化,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”材料干式防滲料現在得到了很好的運用。


    三、熔煉爐和保溫爐用耐火資料

    原生鋁錠及廢鋁熔化與合金化常用的熔煉爐多選用燃氣或燃油的固定式或傾動式反射爐,也有選用電阻反射爐、感應坩堝爐。熔煉爐內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,造成耐火材料損壞。鋁熔煉爐的腐蝕損壞機理主要是:

    鋁液易于進入耐火材料;

    鋁及其合金中的合金元素對一些氧化物具有很強的復原能力,而且所產生的氧化還原反響是強放熱反應;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入耐火材料,而且進入耐火材料后隨之又被氧化,最終導致耐火材料質變、結構疏松和損壞;

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

    鋁錠及合金塊的參加、鋁液的流出、爐內溫度的波動等,對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入,有 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,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, 用氮化硅結合的碳化硅磚。流鋁槽和出鋁口等 部位,鋁液沖刷嚴峻,一般選用自結合或氮化硅 結合的碳化硅磚,也有用錯英石磚作內襯。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 質耐火澆注料或耐火可塑料。流鋁槽的內襯, 一般選用碳化硅磚,也可選用電熔泡沫硅磚預制磚。

    現在,隨著熔鋁爐的大型化、強化鍛煉的要求,高強抗鋁滲透澆注料由于具有 抗鋁液 及鎂蒸氣的進入功能,有 的抗磨損和抗熱沖擊功能等得到了很好的運用。(來源:榮盛耐材)



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