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熔铝炉炉衬耐火材料破损的主要原因分析

发布日期:2022-08-16 15:25:42

多年来,许多研究人员和工厂技术人员对铝熔炼炉内衬破损机理进行了大量的研究、分析与探讨,取得了大量成果。其中有从熔化炉熔池刚玉瘤的成因入手,认为炉衬破损主要是铝与炉衬之间的侵蚀反应所致,即主要成分为Al2O3、MgAl2O4、Al 及少量 Si 组成的刚玉矿化物(俗称刚玉瘤)的形成,引起了耐火材料内衬的体积膨胀,并不断向炉衬内部扩展,使炉衬裂纹加剧,造成恶性循环。严重时造成熔炼炉炉体钢结构变形,加速炉子报废。

  也有对铝熔炼炉用耐火材料的现状和发展进行了分析研究,指出Na、K、Si等进入铝液,会降低铝液的熔点与粘度,从而促使铝液向耐火材料渗透,对耐火材料内衬造成损害。还有研究了利用新型耐火材料提高铝熔炼炉使用寿命,并从渣腐蚀作用、温差剧烈变化作用、气相沉积作用以及机械冲击与磨损作用等方面分析了对炉衬寿命的影响。但是,纵观众多研究,虽然偶尔也有提到Na对炉衬耐火材料的影响,但均没有作为重点加以论述。

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  由于碱金属和碱土金属的存在,会对熔铝炉耐火材料内衬造成严重的侵蚀。以下将重点分析碱金属和碱土金属元素对熔铝炉耐火材料内衬的腐蚀机理。

  一、碱土金属Mg对耐火材料内衬的侵蚀

  熔剂与合金中的Mg组元是熔炼炉熔池中碱土金属Mg的主要来源。Mg的化学活性很高,对耐火材料中的SiO2、Fe2O3等有很强的还原能力,可以通过以下反应形成对内衬的侵蚀:

  3Mg + Al2O3 → 3MgO + 2Al (1)

  3Mg + Fe2O3 → 3MgO + 2Fe (2)

  2Mg + SiO2 → 2MgO + Si (3)

  此外,Mg有很高的蒸汽压,使蒸汽比Al更容易沿着耐火材料的微观通道渗入耐火材料,并与内衬中的组分Al2O3、SiO2和Fe2O3发生反应,侵蚀炉衬。此外,Mg元素从炉衬中置换出的Fe和Si也将会对合金熔体造成污染,影响合金化学成分的准确性。

  MgO(g)+ O2 → 2MgO (4)

  2MgO + Al2O3 → MgAl2O (5)

  由此可以看出,在熔炼铝合金时,将会对炉衬产生很严重的侵蚀。

  二、碱金属Na和K对耐火材料内衬的侵蚀

  Na和 K的来源主要有以下几个方面:电解铝液、重熔铝锭以及铝熔体熔炼、精炼和覆盖过程中所使用的精炼剂、覆盖剂和清渣剂等。据报道,重熔铝锭中的 Na 含量约为 30×10-6,电解铝液中的Na含量比重熔铝锭高通常在40×10-6~50×10-6 范围内。合金添加剂中的助熔剂、铝合金精炼剂、覆盖剂及打渣剂的主要成分均为碱金属和碱土金属的氯盐、氟盐 (NaCl、KCl、NaF、KF,等),也是 Na和K的重要来源。它们都会对耐火材料寿命产生严重影响Na和 K的沸点极低,分别为882.9℃和760℃。在铝合金熔炼过程中,熔铝炉的炉膛工作温度高达800~1000℃,最高可达1200℃。在这个温度范围,溶解于铝熔体中的碱金属和碱土金属 Na、K、Mg部分蒸发形成Mg、Na、K蒸汽。如此,在熔 炼炉炉膛内就会存在许多CO2、CO、Na (气)、K (气) 和Mg (气),这些气体和蒸汽通过耐火材料的微观通道向其内部渗透,并与耐火材料组织产生反应,形成新的膨胀相,如钾霞石(含钾)和霞石(含钠)两者都会对耐火材料结构造成损害,加速耐火材料内衬的失效。


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