有色冶金——煉鋁用耐火材料

在鋁冶煉中，回轉(zhuǎn)窯、電解槽和熔煉爐等設(shè)備都需要特定的耐火材料來(lái)抵御高溫、化學(xué)侵蝕和機(jī)械沖擊等因素。例如，在回轉(zhuǎn)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(jié)合的碳化硅磚。對(duì)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(shí)要綜合考慮這些因素。

隨著鋁工業(yè)的發(fā)展和設(shè)備技術(shù)的不斷進(jìn)步，耐火材料也在不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，以適應(yīng)更高效、更環(huán)保的生產(chǎn)需求。

有色金屬冶煉主要包括幾個(gè)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(jié)合我公司的產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)介紹。

在全球有色金屬生產(chǎn)中，鋁的年產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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總量還要大得多。金屬鋁的生產(chǎn)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(yè)氧化鋁為原料，采用熔鹽電解法制造金屬鋁。在生產(chǎn)過(guò)程中使用的高溫窯爐有回轉(zhuǎn)窯、熔鹽電解槽、熔鋁爐等。

工業(yè)爐內(nèi)的鋁耐火材料會(huì)消耗很多。這是由于制取Al2O3時(shí)，物料中的堿性物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重侵蝕回轉(zhuǎn)窯里的耐火材料。在鋁熔煉過(guò)程中，金屬鋁即使在較低溫度下也有很強(qiáng)的滲透能力。一旦滲入磚塊中，它會(huì)與SiO2反應(yīng)，導(dǎo)致Si元素被還原，破壞了耐火材料的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致?tīng)t襯產(chǎn)生變質(zhì)層，變得疏松、剝落并損壞。反應(yīng)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(shè)備的建爐材料。一般來(lái)說(shuō)，用于鋁工業(yè)爐的耐火材料除了高鋁磚以外，通常會(huì)采用碳質(zhì)制品。

氧化鋁生產(chǎn)中使用耐火材料的回轉(zhuǎn)窯

當(dāng)前，我國(guó)生產(chǎn)氧化鋁時(shí)，主要采用燒結(jié)法和聯(lián)合法這兩種方法，這主要是因?yàn)樵�料的供�?yīng)。對(duì)于鋁土礦的處理過(guò)程，通常包括干燥和嫩燒，氫氧化鋁的焙燒等環(huán)節(jié)，而多數(shù)工廠使用回轉(zhuǎn)窯來(lái)進(jìn)行這些工藝。近年來(lái)，雖然引進(jìn)了流態(tài)化焙燒設(shè)備并普及使用，但是在一些老廠中，回轉(zhuǎn)窯仍然占據(jù)相當(dāng)大比例。

旋轉(zhuǎn)窯是用于煅燒氧化鋁熟料的窯爐。在氧化鋁生產(chǎn)中，首先將鋁土、純堿和石灰按比例配制后裝入旋轉(zhuǎn)窯中，經(jīng)過(guò)1200~1300℃的高溫?zé)�制后出爐，再經(jīng)適當(dāng)處理制成氫氧化鋁和母液；將氫氧化鋁放入旋轉(zhuǎn)窯中，在1200℃的高溫下即可完成煅燒。旋轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煅燒過(guò)程是這樣的：高溫火焰和物料在爐內(nèi)反向運(yùn)動(dòng)。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(jīng)過(guò)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(dòng)。因此，窯內(nèi)分為預(yù)熱區(qū)和高溫煅燒區(qū)。為了避免在加熱和煅燒過(guò)程中出現(xiàn)漿料粘結(jié)窯襯并增強(qiáng)傳熱過(guò)程，還在耐火材料磚之間設(shè)置鏈條，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(chǎn)中使用的旋轉(zhuǎn)窯是由焊接的鋼板筒體制成，內(nèi)部覆蓋耐火材料。這種耐火材料處于惡劣的工作環(huán)境下，工作條件非常苛刻。它需要具備以下幾個(gè)特性：對(duì)堿侵蝕有很強(qiáng)的抗性；能夠長(zhǎng)時(shí)間在1200~1300℃的高溫下工作，不會(huì)損壞；可以承受動(dòng)載荷的沖擊；能夠抵抗?fàn)t料的侵蝕；可以抵御高溫氣流的沖刷。旋轉(zhuǎn)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(nèi)襯。

氧化鋁生產(chǎn)用的旋轉(zhuǎn)窯耐火材料詳見(jiàn)表1。

目前，鋁工業(yè)廣泛使用不定形耐火材料，受到高溫磨損和熱震應(yīng)力的影響，回轉(zhuǎn)窯的窯口很容易發(fā)生變形和損壞；在氧化鋁熟料窯的過(guò)渡帶，環(huán)境溫度在400~1000℃之間，受到堿性腐蝕和機(jī)械損壞（震動(dòng)、歪曲）的嚴(yán)重影響，內(nèi)襯經(jīng)常會(huì)脫落。鋼纖維增強(qiáng)澆注料也被應(yīng)用在回轉(zhuǎn)窯的預(yù)熱帶、窯口、窯尾和冷卻機(jī)等部位。

氫氧化鋁焙燒是生產(chǎn)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(jié)晶水，同時(shí)將一部分β型氧化鋁轉(zhuǎn)化為α型氧化鋁。目前國(guó)內(nèi)大部分氧化鋁廠商已經(jīng)部分或完全開(kāi)始采用引進(jìn)的流態(tài)化焙燒設(shè)備。流態(tài)化焙燒設(shè)備包括流態(tài)化閃速焙燒爐、循環(huán)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(tài)化閃速焙燒爐所用的不定形耐火材料全部從德國(guó)引進(jìn)，而循環(huán)流化床焙燒爐的耐火材料則全部為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。

氧化鋁氣體懸浮焙燒爐是一種專門用來(lái)煅燒氫氧化鋁的設(shè)備，其工藝和自動(dòng)化水平都非常高。焙燒過(guò)程在高溫爐膛中進(jìn)行，溫度約為1200℃，并且在高速條件下完成。同時(shí)，由于處理的氧化鋁物料硬度大，流動(dòng)性好，對(duì)產(chǎn)物質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。任何雜質(zhì)的混入都將直接影響產(chǎn)品的性能。因此，耐火材料須具備耐高溫、耐磨損、高強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性、完好的整體性和強(qiáng)大的密封性等特點(diǎn)。

電解槽是生產(chǎn)鋁的關(guān)鍵設(shè)備，通常是矩形鋼殼，內(nèi)部襯有炭磚。槽內(nèi)懸掛著炭陽(yáng)ji，底部是陰ji。用冰晶石、氟化鋁、氟化鋰等熔融物質(zhì)作為電解質(zhì)，將Al2O3在約970℃下熔化，在電場(chǎng)力的作用下電離，將復(fù)原的鋁沉積到底部陰ji上，而陽(yáng)ji放出氧與炭反應(yīng)產(chǎn)生CO2或CO。電化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量保持了電解槽和鋁處于熔化狀態(tài)，定期從槽內(nèi)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(lái)構(gòu)建底部作業(yè)層。然而，由于碳與鈉發(fā)生反應(yīng)而形成新的化合物，導(dǎo)致磚襯結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度下降，炭塊出現(xiàn)裂縫。隨后，電解質(zhì)和鋁液會(huì)沿著裂縫進(jìn)入，在高溫下鋁與碳反應(yīng)產(chǎn)生松散的碳化合物，從而使裂縫擴(kuò)大，終導(dǎo)致電解槽槽殼變形和內(nèi)襯嚴(yán)重侵蝕，縮短使用壽命。因此，為了解決這個(gè)問(wèn)題，電解槽槽底的陰ji材料已經(jīng)從原來(lái)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(nèi)側(cè)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(dǎo)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(dòng)帶來(lái)的沖蝕；溫度波動(dòng)和熱脹冷縮引起的熱應(yīng)力。

鋁電解槽的側(cè)壁一直使用無(wú)定形炭塊和石墨炭塊等資料，這類資料關(guān)鍵的缺點(diǎn)是抗氧化功能較差、強(qiáng)度較低。為了保證側(cè)壁不氧化且具有較高的電阻，側(cè)壁正朝著部分或全部采用SiC質(zhì)料方向發(fā)展。理想的選擇是氮化硅結(jié)合的碳化硅磚。這種磚具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和良好的導(dǎo)熱性，內(nèi)側(cè)容易形成冷凝渣；電阻率大，減少側(cè)壁的電流損失；資料不容易氧化；不會(huì)與鋁液、純冰石等熔體發(fā)生反應(yīng)；機(jī)械強(qiáng)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(wěn)定。比如原本使用炭磚時(shí)，側(cè)墻厚度大約在200~400mm之間，采用氮化硅結(jié)合的碳化硅磚后，側(cè)墻厚度只需75mm。

底部槽的下方障礙層。

在鋁電解生產(chǎn)中，鈉和氟化鈉的蒸汽和液態(tài)可以通過(guò)槽底的陰ji材料進(jìn)入下面的隔熱層。隔熱層內(nèi)添加了氟化鈉后，提高了導(dǎo)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(zhì)滲透的材料層，同時(shí)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(yīng)用。

使用耐火材料來(lái)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?xì)饣蛉加腿紵隣t，也可以選擇電阻反射爐或感應(yīng)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(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致耐火材料受損。鋁熔煉爐的腐蝕破壞機(jī)制主要是：鋁液容易滲入耐火材料內(nèi)部；

鋁和其合金中的合金元素對(duì)某些氧化物具有強(qiáng)大的還原能力，并且造成的氧化還原反應(yīng)具有劇烈的放熱性質(zhì)。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(jìn)耐火材料之中。進(jìn)入這些耐火材料后，這些合金元素隨即被氧化，終導(dǎo)致耐火材料腐蝕、結(jié)構(gòu)松散和受損。

在大型鋁熔爐的熔煉過(guò)程中，由于持續(xù)投放鋁錠和合金，鋁錠和合金塊對(duì)熔爐口、爐底和爐壁造成的撞擊和磨損非常嚴(yán)重；

鋁錠和合金塊的添加、鋁液的排出、爐內(nèi)溫度的波動(dòng)等因素可能導(dǎo)致耐火材料襯里發(fā)生熱震損毀。

鋁熔煉反射爐的隔熱材料須具有抗進(jìn)入鋁液和鎂蒸汽的性能，同時(shí)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(dāng)熔煉高純金屬鋁時(shí)，會(huì)選擇莫來(lái)石磚或剛玉磚。對(duì)于易受腐蝕和磨損的區(qū)域，如爐床斜坡和裝入廢舊鋁材料處，使用氮化硅結(jié)合的碳化硅磚。對(duì)于受鋁液沖刷嚴(yán)重的部分，如流鋁槽和出鋁口，一般會(huì)選擇自結(jié)合或氮化硅結(jié)合的碳化硅磚，也可使用錯(cuò)英石磚作內(nèi)襯。用于解決出鋁口阻塞問(wèn)題時(shí)，建議選擇真空澆鑄后的耐火纖維。而對(duì)于不與鋁液接觸的爐襯，一般會(huì)選用黏土磚、黏土性耐火澆注料或耐火可塑料。流鋁槽的內(nèi)襯通常采用碳化硅磚，也可以選擇電熔泡沫硅磚進(jìn)行預(yù)制。

目前，隨著熔鋁爐規(guī)模的擴(kuò)大和強(qiáng)化鍛煉的需要，高強(qiáng)度抗鋁滲透澆注料因其優(yōu)異的抗鋁液和鎂蒸氣侵入功能，表現(xiàn)出良好的耐磨和耐熱沖擊性能等方面得到了廣泛應(yīng)用。