耐火材料在铝工业炉上的选用

- 熔铝炉 -

铝工业是耐火材料的主要消耗产业。在美国，它是继钢铁之后第二大金属生产业。由于铝在相对较低的温度下熔化，因此再生铝熔炼炉中选用的耐火材料与其他工艺相比通常被认为更容易，但在该领域工作的任何人都可以证实，这实际上并不容易。

更复杂的是，熔炉或保温炉中的耐火材料将要承受越来越多更苛刻的环境，同时期望有更短的维护时间和更高的效率。生产能力预期变化可以根据使用的熔剂类型进行观察，在炉的清洗操作中更换氧燃料的气体燃烧器并且越来越多使用再牛铝。上述情况能使炉内温度升高，并且能使更多的含镁合金熔化，还能使炉子的环境变得更加恶劣。同时，许多新的耐火材料进入炉内衬市场。本文旨在论述耐火材料的磨损原因，讨论可供选择的耐火材料。

01耐火材料磨损

铝熔炼炉及保温炉根据暴露环境可以分为若干个不同的区域:上部区域，包括燃烧器和熔炉环境;下部区域，包括与熔融铝接触的区域;下部的上边界，即所谓的腹部带，连接这两个区域并且暴露于熔铝渣或熔剂混合的最恶劣的环境中。

由于便捷性及成本优势，大多数炉子采用硅酸铝基质材料。一般情况下，炉子的上部、下部区域采用不同材质以满足其不同要求。大部分时间耐火材料与金属接触，其下部，铝与内衬成分会发生化学反应，清理除去炉内壁或底部的熔渣能造成机械损伤，装料导致热震机械损伤。由于金属添加，腹部带耐火材料必须承受上述问题，此外，由于铝热剂的存在还会出现间歇性和局部高温。

02金属接触耐火材料的反应

为了解耐火材料和熔融铝之间的反应以及磨损机理，已经开展大量的研究工作。铝硅酸盐和金属之间的反应能形成刚玉。虽然刚玉是Al203的矿物名称，但本文所指的是A1203和未反应耐火材料片状试样及硅和铝的混合物。这种蚀变通常在腹部带下产生，并且向上生长破坏衬里的完整性，通过填充孔隙紧间地附着在耐火材料上很难去除。为保持其生产能力，炉壁的清洗是必要的，因为形成的刚玉会对耐火材料的热性能产生不利影响。

可以利用热力学确定金属与各种矿物成分反应形成耐火材料的可能性。不论是纯硅还是矿物莫来石，都可以通过熔融铝还原。刚玉是由二氧化硅还原而形成。更有甚者，如果该铝是含镁合金，那么镁可以还原Si02形成氧化镁。或与氧化铝反应形成尖晶石。

(根据铝合金中Mg含量，可形成MgO或MgAl204或同时形成两者。

此外，氧气存在时随时会发生铝的氧化反应。

图1显示了铝合金接触耐火材料、氧化铝、氧化镁和尖晶石的形成及其生长的反应机理示意图。

尽管这些反应获得了更多的关注，但在耐火材料中也经常发现其他氧化物，如铁的氧化物、二氧化钛等，这些都是由熔融铝还原的。

03渗铝控制

几种方法可以应对铝润湿、渗透并与耐火材料的相互作用。其目的是延缓或抑制铝还原耐火材料的能力。可用如下技术解决。

在耐火材料中使用反润湿剂与熔融铝接触是一个比较常见的方法，特別是含有铝酸钙的浇注料。常提到的添加剂是硫酸钡，不同类型的氟化物(氟化铝、氟化钙等)及其他。研究表明，添加硫酸钡对耐火材料的保护机理最有可能是在1000℃作为铝腐蚀的一道屏障形成钡长石，而氟化物则是通过反应和填充气孔。抗湿的添加剂在不同的温度下分解，一旦超过该温度耐火材料就失去了它们的保护。

另一种方法是添加磷酸盐，它对耐火材料具有极高的不润湿性，并在温度高于1500℃时才分解。在烧成前将磷酸盐加人混合物中，在浇注料及可塑料中可作为结合剂使用。当其用于不定形耐火材料中时，有助于新的和使用过的耐火材料之间的粘结成型，这在进行修补时是特別重要的。

所使用的溶胶-凝胶粘合剂，特別是二氧化硅胶体，形成的孔极小从而阻碍渗铝，不需要或最大限度地减少了非润湿成分的加入。

最新的研究是使用特殊的原料或对铝有低润湿性的粘合剂，并且只含有氧化钙和氧化铝，像六铝酸钙或板状刚玉。板状刚玉基耐火试验样品在显微镜下显水熔铝暴露后无金属渗透。一些浇注料由于骨料的自然属性还具有内部保温性能。

04耐火材料试验

用于评估耐火材料在使用中与铝接触的公认方法是模拟实际使用条件并对其进行测试。即在规定时间内，在预先设定的温度下把耐火材料暴露在熔融金属上。由于填充金属的腔内形状不同，测试稍有不同。就不定形耐火材料而言，预烧温度以及温度和烧成时间的关系，所有这些条件都可以有明显变化，并且会影响测试结果。而耐火材料则根据预先确定的标准进行评价，通常包括目前使用的耐火材料金属渗透的视觉比较。

在腹部带区域使用的耐火材料还会因暴露于熔剂中而额外受到应力。这些材料是结合了儿种不同类型及数量的碱金属盐、氟化物和氣化物所制造的，具有较低的熔点，因此将会渗透到耐火材料中。为确定溶剂对耐火材料的完整性及其组成部分的其他影响，实验室采用模拟腹部带条件来进行杯法试验。在高温下，使耐火材料暴露于由盐、KCl、CaCl2、NaCl氟化钙、氟化钠、冰晶石(Na3AlF6)等的个体或组合所覆盖的铝合金下。

在碱存在的情况下，溶剂在高温下分解成为气体。一旦盐分组成是环境的一部分，它们就可以渗透到耐火材料中并与之反应。碱测试是用来确定新的耐火材料的配方能否在现场施工之前改善耐磨性。它可以通过在砖中形成一个空腔或在一个封闭的箱体中放置耐火材料样品来进行测试。该腔或箱体内充满了碱，盖上盖子来限制气态物质的运动，之后加热并在预定的时间内保温。然后分析测试件的渗透和变化。

铝熔炼或保温炉中的碱与耐火材料中的硅酸盐反应形成玻璃相，能够密封气孔并防止耐火材料进一步的损坏。

05耐火材料的选择

铝熔炼或保温炉内衬耐火材料可使用砖、浇注料、可塑料或任何上述组合。

最初的磷酸结合的烧成砖已普遍被低水泥和超低水泥浇注料所取代。砖在施工过程中需要一层一层的砌筑，施工时间比较长，砖与砖之间的泥浆缝隙也易损毁。浇注料施工时间比砖砌筑时间短，但需要一定时间的干燥和养护，灰缝的数量少并且性能相当。可塑料的使用不像浇注料那样流行。

虽然每种耐火材料有其自身特性，但是可以组合使用，而且从成本、可用性和寿命的角度获得最佳的内衬。