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    耐火材料在有色金屬鋁冶煉中的應用

    日期:2024-04-09    編輯:榮盛耐材    

    在鋁冶煉中,回轉窯、電解槽和熔煉爐等設備都需要特定的耐火材料來抵御高溫、化學侵蝕和機械沖擊等因素。例如,在回轉窯中,使用高鋁磚和鎂鉻磚作為主要的耐火材料,而在電解槽中,則需要選用具有良好抗氧化功能的材料,如氮化硅結合的碳化硅磚。對于熔煉爐而言,需要考慮抗鋁液及鎂蒸氣侵蝕、抗磨損和抗熱沖擊等特性,因此選擇耐火材料時要綜合考慮這些因素。


    隨著鋁工業的發展和設備技術的不斷進步,耐火材料也在不斷創新和改進,以適應更、更環保的生產需求。

    有色金屬冶煉主要包括幾個方面:鋁的冶煉、銅的冶煉、鉛的冶煉、鋅的冶煉、鎳的冶煉、金和銀,我們將逐一介紹這些有色金屬冶煉所需的耐火材料,并結合我公司的產品進行詳細介紹。

    在全球有色金屬生產中,鋁的年產量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總量還要大得多。金屬鋁的生產方式采用兩步固定法:首先,濕法從鋁土礦中制取氧化鋁;其次,以工業氧化鋁為原料,采用熔鹽電解法制造金屬鋁。在生產過程中使用的高溫窯爐有回轉窯、熔鹽電解槽、熔鋁爐等。

    工業爐內的鋁耐火材料會消耗很多。這是由于制取Al2O3時,物料中的堿性物質會嚴重侵蝕回轉窯里的耐火材料。在鋁熔煉過程中,金屬鋁即使在較低溫度下也有很強的滲透能力。一旦滲入磚塊中,它會與SiO2反應,導致Si元素被還原,破壞了耐火材料的結構,導致爐襯產生變質層,變得疏松、剝落并損壞。反應方程式為:3SiO2 + 4A1 —2A12O3 + 3SiO2。

    因此,不能把含有SiO2的耐火材料用作金屬鋁熔煉設備的建爐材料。一般來說,用于鋁工業爐的耐火材料除了高鋁磚以外,通常會采用碳質制品。

    氧化鋁生產中使用耐火材料的回轉窯
    當前,我國生產氧化鋁時,主要采用燒結法和聯合法這兩種方法,這主要是因為原料的供應。對于鋁土礦的處理過程,通常包括干燥和嫩燒,氫氧化鋁的焙燒等環節,而多數工廠使用回轉窯來進行這些工藝。近年來,雖然引進了流態化焙燒設備并普及使用,但是在一些老廠中,回轉窯仍然占據相當大比例。

    旋轉窯是用于煅燒氧化鋁熟料的窯爐。在氧化鋁生產中,首先將鋁土、純堿和石灰按比例配制后裝入旋轉窯中,經過1200~1300℃的高溫燒制后出爐,再經適當處理制成氫氧化鋁和母液;將氫氧化鋁放入旋轉窯中,在1200℃的高溫下即可完成煅燒。旋轉窯內的煅燒過程是這樣的:高溫火焰和物料在爐內反向運動。含水40%的堿石灰鋁土原料漿或含水12% ~ 18%的氫氧化鋁由窯尾加入,經過低溫干燥脫水、加熱、高溫煅燒后,從窯頭卸料,高溫氣體則由窯頭向窯尾流動。因此,窯內分為預熱區和高溫煅燒區。為了避免在加熱和煅燒過程中出現漿料粘結窯襯并增強傳熱過程,還在耐火材料磚之間設置鏈條,在旋轉運動中不斷擊打物料和襯磚,影響了窯襯的使用壽命。
    氧化鋁的生產中使用的旋轉窯是由焊接的鋼板筒體制成,內部覆蓋耐火材料。這種耐火材料處于惡劣的工作環境下,工作條件非??量?。它需要具備以下幾個特性:對堿侵蝕有很強的抗性;能夠長時間在1200~1300℃的高溫下工作,不會損壞;可以承受動載荷的沖擊;能夠抵抗爐料的侵蝕;可以抵御高溫氣流的沖刷。旋轉窯所使用的耐火材料主要是高鋁磚和鎂鉻磚,而低溫干燥窯則使用黏土磚作為內襯。
     

    氧化鋁生產用回轉窯的耐火材料表
     
    目前,鋁工業廣泛使用不定形耐火材料,受到高溫磨損和熱震應力的影響,回轉窯的窯口很容易發生變形和損壞;在氧化鋁熟料窯的過渡帶,環境溫度在400~1000℃之間,受到堿性腐蝕和機械損壞(震動、歪曲)的嚴重影響,內襯經常會脫落。鋼纖維增強澆注料也被應用在回轉窯的預熱帶、窯口、窯尾和冷卻機等部位。

    氫氧化鋁焙燒是生產氧化鋁末尾的一道工序,主要目的是除去氫氧化鋁濾餅中的水分和結晶水,同時將一部分β型氧化鋁轉化為α型氧化鋁。目前國內大部分氧化鋁廠商已經部分或完全開始采用引進的流態化焙燒設備。流態化焙燒設備包括流態化閃速焙燒爐、循環流化床焙燒爐、懸浮焙燒爐這三種類型,雖然所用的耐火材料略有不同,但普遍采用不定形耐火材料(如耐火塑料或澆注料),占總耐火材料用量的50%~70%。流態化閃速焙燒爐所用的不定形耐火材料全部從德國引進,而循環流化床焙燒爐的耐火材料則全部為國內生產。

    氧化鋁氣體懸浮焙燒爐是一種專門用來煅燒氫氧化鋁的設備,其工藝和自動化水平都非常高。焙燒過程在高溫爐膛中進行,溫度約為1200℃,并且在高速條件下完成。同時,由于處理的氧化鋁物料硬度大,流動性好,對產物質量要求非常嚴格。任何雜質的混入都將直接影響產品的性能。因此,耐火材料須具備耐高溫、耐磨損、高強度、良好的熱穩定性、完好的整體性和強大的密封性等特點。
    電解槽是生產鋁的關鍵設備,通常是矩形鋼殼,內部襯有炭磚。槽內懸掛著炭陽ji,底部是陰ji。用冰晶石、氟化鋁、氟化鋰等熔融物質作為電解質,將Al2O3在約970℃下熔化,在電場力的作用下電離,將復原的鋁沉積到底部陰ji上,而陽ji放出氧與炭反應產生CO2或CO。電化學反應釋放的熱量保持了電解槽和鋁處于熔化狀態,定期從槽內排出鋁液,并添加一定量的氧化鋁和冰晶石;電解溫度在900~1000℃之間。
    電解槽通常使用炭塊來構建底部作業層。然而,由于碳與鈉發生反應而形成新的化合物,導致磚襯結構變松,強度下降,炭塊出現裂縫。隨后,電解質和鋁液會沿著裂縫進入,在高溫下鋁與碳反應產生松散的碳化合物,從而使裂縫擴大,終導致電解槽槽殼變形和內襯嚴重侵蝕,縮短使用壽命。因此,為了解決這個問題,電解槽槽底的陰ji材料已經從原來的非晶狀碳磚改為半石墨化碳磚或石墨化碳磚。
    鋁電解槽內側墻襯的毀損主要是由于以下因素:在鋼殼和磚襯之間引入空氣導致材料氧化;在高溫下受到冰晶石、氟化鈉和鋁液的侵蝕;由熔體流動帶來的沖蝕;溫度波動和熱脹冷縮引起的熱應力。

    鋁電解槽的側壁一直使用無定形炭塊和石墨炭塊等資料,這類資料關鍵的缺點是抗氧化功能較差、強度較低。為了保證側壁不氧化且具有較高的電阻,側壁正朝著部分或全部采用SiC質料方向發展。理想的選擇是氮化硅結合的碳化硅磚。這種磚具有優異的高溫力學性能和良好的導熱性,內側容易形成冷凝渣;電阻率大,減少側壁的電流損失;資料不容易氧化;不會與鋁液、純冰石等熔體發生反應;機械強度高,還可以大幅減少襯磚厚度,增加電解槽的容積,保持操作穩定。比如原本使用炭磚時,側墻厚度大約在200~400mm之間,采用氮化硅結合的碳化硅磚后,側墻厚度只需75mm。
    底部槽的下方障礙層。

    在鋁電解生產中,鈉和氟化鈉的蒸汽和液態可以通過槽底的陰ji材料進入下面的隔熱層。隔熱層內添加了氟化鈉后,提高了導熱率,使電解槽的熱效率下降,工作情況惡化,直至槽子破損。陰ji材料下面的"阻擋層"是一種夾在陰ji耐火材料和保溫材料之間,能夠阻止電解質滲透的材料層,同時具有良好的保溫功能。一種新型的“阻擋層”材料干式防滲層目前得到了廣泛應用。
    使用耐火材料來制造煉鋼爐和保溫爐。

    原始的鋁塊和廢舊鋁加熱熔化以及合金化通常都使用固定或傾斜的反射式燃氣或燃油燃燒爐,也可以選擇電阻反射爐或感應式熔爐。雖然熔煉爐中鋁液和鋁合金的熔化溫度只需700?800℃,但鋁及其合金中的鎂、硅等都很活潑,容易與耐火材料中的某些成分發生反應,導致耐火材料受損。鋁熔煉爐的腐蝕破壞機制主要是:鋁液容易滲入耐火材料內部;
    鋁和其合金中的合金元素對某些氧化物具有強大的還原能力,并且造成的氧化還原反應具有劇烈的放熱性質。其中,一些合金元素如鎂具有較高的蒸汽壓,其蒸氣比鋁液更容易滲透進耐火材料之中。進入這些耐火材料后,這些合金元素隨即被氧化,終導致耐火材料腐蝕、結構松散和受損。

    在大型鋁熔爐的熔煉過程中,由于持續投放鋁錠和合金,鋁錠和合金塊對熔爐口、爐底和爐壁造成的撞擊和磨損非常嚴重;
    鋁錠和合金塊的添加、鋁液的排出、爐內溫度的波動等因素可能導致耐火材料襯里發生熱震損毀。

    鋁熔煉反射爐的隔熱材料須具有抗進入鋁液和鎂蒸汽的性能,同時具有良好的抗磨損和抗熱沖擊特性。爐襯接觸鋁液的部分通常選擇Al2O3含量為80%?85%的高鋁磚;當熔煉高純金屬鋁時,會選擇莫來石磚或剛玉磚。對于易受腐蝕和磨損的區域,如爐床斜坡和裝入廢舊鋁材料處,使用氮化硅結合的碳化硅磚。對于受鋁液沖刷嚴重的部分,如流鋁槽和出鋁口,一般會選擇自結合或氮化硅結合的碳化硅磚,也可使用錯英石磚作內襯。用于解決出鋁口阻塞問題時,建議選擇真空澆鑄后的耐火纖維。而對于不與鋁液接觸的爐襯,一般會選用黏土磚、黏土性耐火澆注料或耐火可塑料。流鋁槽的內襯通常采用碳化硅磚,也可以選擇電熔泡沫硅磚進行預制。

    目前,隨著熔鋁爐規模的擴大和強化鍛煉的需要,高強度抗鋁滲透澆注料因其優異的抗鋁液和鎂蒸氣侵入功能,表現出良好的耐磨和耐熱沖擊性能等方面得到了廣泛應用。
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