铝冶炼常用(yòng)的设备及耐火材料有(yǒu)哪些？
2024-04-09 15:47:54 点击：
在铝冶炼中，回转窑、電(diàn)解槽和熔炼炉等设备都需要特定的耐火材料来抵御高温、化學(xué)侵蚀和机械冲击等因素。例如，在回转窑中，使用(yòng)高铝砖和镁铬砖作為(wèi)主要的耐火材料，而在電(diàn)解槽中，则需要选用(yòng)具有(yǒu)良好抗氧化功能(néng)的材料，如氮化硅结合的碳化硅砖。对于熔炼炉而言，需要考虑抗铝液及镁蒸气侵蚀、抗磨损和抗热冲击等特性，因此选择耐火材料时要综合考虑这些因素。
随着铝工业的发展和设备技术的不断进步，耐火材料也在不断创新(xīn)和改进，以适应更、更环保的生产需求。
有(yǒu)色金属冶炼主要包括几个方面：铝的冶炼、铜的冶炼、铅的冶炼、锌的冶炼、镍的冶炼、金和银，我们将逐一介绍这些有(yǒu)色金属冶炼所需的耐火材料，并结合本公司的产品进行详细介绍。
在全球有(yǒu)色金属生产中，铝的年产量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超过其他(tā)有(yǒu)色金属。铝工业每年消耗的耐火材料比铜、铅、锌冶炼消耗的耐火材料总量还要大得多(duō)。金属铝的生产方式采用(yòng)两步固定法：首先，湿法从铝土矿中制取氧化铝；其次，以工业氧化铝為(wèi)原料，采用(yòng)熔盐電(diàn)解法制造金属铝。在生产过程中使用(yòng)的高温窑炉有(yǒu)回转窑、熔盐電(diàn)解槽、熔铝炉等。
工业炉内的铝耐火材料会消耗很(hěn)多(duō)。这是由于制取Al2O3时，物(wù)料中的碱性物(wù)质会严重侵蚀回转窑里的耐火材料。在铝熔炼过程中，金属铝即使在较低温度下也有(yǒu)很(hěn)强的渗透能(néng)力。一旦渗入砖块中，它会与SiO2反应，导致Si元素被还原，破坏了耐火材料的结构，导致炉衬产生变质层，变得疏松、剥落并损坏。反应方程式為(wèi)：3SiO2 + 4A1 —2A12O3 + 3SiO2。
因此，不能(néng)把含有(yǒu)SiO2的耐火材料用(yòng)作金属铝熔炼设备的建炉材料。一般来说，用(yòng)于铝工业炉的耐火材料除了高铝砖以外，通常会采用(yòng)碳质制品。
氧化铝生产中使用(yòng)耐火材料的回转窑
当前，我國(guó)生产氧化铝时，主要采用(yòng)烧结法和联合法这两种方法，这主要是因為(wèi)原料的供应。对于铝土矿的处理(lǐ)过程，通常包括干燥和嫩烧，氢氧化铝的焙烧等环节，而多(duō)数工厂使用(yòng)回转窑来进行这些工艺。近年来，虽然引进了流态化焙烧设备并普及使用(yòng)，但是在一些老厂中，回转窑仍然占据相当大比例。
旋转窑是用(yòng)于煅烧氧化铝熟料的窑炉。在氧化铝生产中，首先将铝土、纯碱和石灰按比例配制后装入旋转窑中，经过1200~1300℃的高温烧制后出炉，再经适当处理(lǐ)制成氢氧化铝和母液；将氢氧化铝放入旋转窑中，在1200℃的高温下即可(kě)完成煅烧。旋转窑内的煅烧过程是这样的：高温火焰和物(wù)料在炉内反向运动。含水40%的碱石灰铝土原料浆或含水12% ~ 18%的氢氧化铝由窑尾加入，经过低温干燥脱水、加热、高温煅烧后，从窑头卸料，高温气體(tǐ)则由窑头向窑尾流动。因此，窑内分(fēn)為(wèi)预热區(qū)和高温煅烧區(qū)。為(wèi)了避免在加热和煅烧过程中出现浆料粘结窑衬并增强传热过程，还在耐火材料砖之间设置链条，在旋转运动中不断击打物(wù)料和衬砖，影响了窑衬的使用(yòng)寿命。
氧化铝的生产中使用(yòng)的旋转窑是由焊接的钢板筒體(tǐ)制成，内部覆盖耐火材料。这种耐火材料处于恶劣的工作环境下，工作条件非常苛刻。它需要具备以下几个特性：对碱侵蚀有(yǒu)很(hěn)强的抗性；能(néng)够長(cháng)时间在1200~1300℃的高温下工作，不会损坏；可(kě)以承受动载荷的冲击；能(néng)够抵抗炉料的侵蚀；可(kě)以抵御高温气流的冲刷。旋转窑所使用(yòng)的耐火材料主要是高铝砖和镁铬砖，而低温干燥窑则使用(yòng)黏土砖作為(wèi)内衬。
氧化铝生产用(yòng)的旋转窑耐火材料
目前，铝工业广泛使用(yòng)不定形耐火材料，受到高温磨损和热震应力的影响，回转窑的窑口很(hěn)容易发生变形和损坏；在氧化铝熟料窑的过渡带，环境温度在400~1000℃之间，受到碱性腐蚀和机械损坏（震动、歪曲）的严重影响，内衬经常会脱落。钢纤维增强浇注料也被应用(yòng)在回转窑的预热带、窑口、窑尾和冷却机等部位。
氢氧化铝焙烧是生产氧化铝末尾的一道工序，主要目的是除去氢氧化铝滤饼中的水分(fēn)和结晶水，同时将一部分(fēn)β型氧化铝转化為(wèi)α型氧化铝。目前國(guó)内大部分(fēn)氧化铝厂商(shāng)已经部分(fēn)或完全开始采用(yòng)引进的流态化焙烧设备。流态化焙烧设备包括流态化闪速焙烧炉、循环流化床焙烧炉、悬浮焙烧炉这三种类型，虽然所用(yòng)的耐火材料略有(yǒu)不同，但普遍采用(yòng)不定形耐火材料（如耐火塑料或浇注料），占总耐火材料用(yòng)量的50%~70%。流态化闪速焙烧炉所用(yòng)的不定形耐火材料全部从德國(guó)引进，而循环流化床焙烧炉的耐火材料则全部為(wèi)國(guó)内生产。
氧化铝气體(tǐ)悬浮焙烧炉是一种专门用(yòng)来煅烧氢氧化铝的设备，其工艺和自动化水平都非常高。焙烧过程在高温炉膛中进行，温度约為(wèi)1200℃，并且在高速条件下完成。同时，由于处理(lǐ)的氧化铝物(wù)料硬度大，流动性好，对产物(wù)质量要求非常严格。任何杂质的混入都将直接影响产品的性能(néng)。因此，耐火材料须具备耐高温、耐磨损、高强度、良好的热稳定性、完好的整體(tǐ)性和强大的密封性等特点。
電(diàn)解槽是生产铝的关键设备，通常是矩形钢壳，内部衬有(yǒu)炭砖。槽内悬挂着炭阳ji，底部是阴ji。用(yòng)冰晶石、氟化铝、氟化锂等熔融物(wù)质作為(wèi)電(diàn)解质，将Al2O3在约970℃下熔化，在電(diàn)场力的作用(yòng)下電(diàn)离，将复原的铝沉积到底部阴ji上，而阳ji放出氧与炭反应产生CO2或CO。電(diàn)化學(xué)反应释放的热量保持了電(diàn)解槽和铝处于熔化状态，定期从槽内排出铝液，并添加一定量的氧化铝和冰晶石；電(diàn)解温度在900~1000℃之间。
電(diàn)解槽通常使用(yòng)炭块来构建底部作业层。然而，由于碳与钠发生反应而形成新(xīn)的化合物(wù)，导致砖衬结构变松，强度下降，炭块出现裂缝。随后，電(diàn)解质和铝液会沿着裂缝进入，在高温下铝与碳反应产生松散的碳化合物(wù)，从而使裂缝扩大，终导致電(diàn)解槽槽壳变形和内衬严重侵蚀，缩短使用(yòng)寿命。因此，為(wèi)了解决这个问题，電(diàn)解槽槽底的阴ji材料已经从原来的非晶状碳砖改為(wèi)半石墨化碳砖或石墨化碳砖。
铝電(diàn)解槽内侧墙衬的毁损主要是由于以下因素：在钢壳和砖衬之间引入空气导致材料氧化；在高温下受到冰晶石、氟化钠和铝液的侵蚀；由熔體(tǐ)流动带来的冲蚀；温度波动和热胀冷缩引起的热应力。
铝電(diàn)解槽的侧壁一直使用(yòng)无定形炭块和石墨炭块等资料，这类资料关键的缺点是抗氧化功能(néng)较差、强度较低。為(wèi)了保证侧壁不氧化且具有(yǒu)较高的電(diàn)阻，侧壁正朝着部分(fēn)或全部采用(yòng)SiC质料方向发展。理(lǐ)想的选择是氮化硅结合的碳化硅砖。这种砖具有(yǒu)优异的高温力學(xué)性能(néng)和良好的导热性，内侧容易形成冷凝渣；電(diàn)阻率大，减少侧壁的電(diàn)流损失；资料不容易氧化；不会与铝液、纯冰石等熔體(tǐ)发生反应；机械强度高，还可(kě)以大幅减少衬砖厚度，增加電(diàn)解槽的容积，保持操作稳定。比如原本使用(yòng)炭砖时，侧墙厚度大约在200~400mm之间，采用(yòng)氮化硅结合的碳化硅砖后，侧墙厚度只需75mm。
底部槽的下方障碍层。
在铝電(diàn)解生产中，钠和氟化钠的蒸汽和液态可(kě)以通过槽底的阴ji材料进入下面的隔热层。隔热层内添加了氟化钠后，提高了导热率，使電(diàn)解槽的热效率下降，工作情况恶化，直至槽子破损。阴ji材料下面的"阻挡层"是一种夹在阴ji耐火材料和保温材料之间，能(néng)够阻止電(diàn)解质渗透的材料层，同时具有(yǒu)良好的保温功能(néng)。一种新(xīn)型的“阻挡层”材料干式防渗层目前得到了广泛应用(yòng)。
使用(yòng)耐火材料来制造炼钢炉和保温炉。
原始的铝块和废旧铝加热熔化以及合金化通常都使用(yòng)固定或倾斜的反射式燃气或燃油燃烧炉，也可(kě)以选择電(diàn)阻反射炉或感应式熔炉。虽然熔炼炉中铝液和铝合金的熔化温度只需700〜800℃，但铝及其合金中的镁、硅等都很(hěn)活泼，容易与耐火材料中的某些成分(fēn)发生反应，导致耐火材料受损。铝熔炼炉的腐蚀破坏机制主要是：铝液容易渗入耐火材料内部；
铝和其合金中的合金元素对某些氧化物(wù)具有(yǒu)强大的还原能(néng)力，并且造成的氧化还原反应具有(yǒu)剧烈的放热性质。其中，一些合金元素如镁具有(yǒu)较高的蒸汽压，其蒸气比铝液更容易渗透进耐火材料之中。进入这些耐火材料后，这些合金元素随即被氧化，终导致耐火材料腐蚀、结构松散和受损。
在大型铝熔炉的熔炼过程中，由于持续投放铝锭和合金，铝锭和合金块对熔炉口、炉底和炉壁造成的撞击和磨损非常严重；
铝锭和合金块的添加、铝液的排出、炉内温度的波动等因素可(kě)能(néng)导致耐火材料衬里发生热震损毁。
铝熔炼反射炉的隔热材料须具有(yǒu)抗进入铝液和镁蒸汽的性能(néng)，同时具有(yǒu)良好的抗磨损和抗热冲击特性。炉衬接触铝液的部分(fēn)通常选择Al2O3含量為(wèi)80%〜85%的高铝砖；当熔炼高纯金属铝时，会选择莫来石砖或刚玉砖。对于易受腐蚀和磨损的區(qū)域，如炉床斜坡和装入废旧铝材料处，使用(yòng)氮化硅结合的碳化硅砖。对于受铝液冲刷严重的部分(fēn)，如流铝槽和出铝口，一般会选择自结合或氮化硅结合的碳化硅砖，也可(kě)使用(yòng)错英石砖作内衬。用(yòng)于解决出铝口阻塞问题时，建议选择真空浇铸后的耐火纤维。而对于不与铝液接触的炉衬，一般会选用(yòng)黏土砖、黏土性耐火浇注料或耐火可(kě)塑料。流铝槽的内衬通常采用(yòng)碳化硅砖，也可(kě)以选择電(diàn)熔泡沫硅砖进行预制。
目前，随着熔铝炉规模的扩大和强化锻炼的需要，高强度抗铝渗透浇注料因其优异的抗铝液和镁蒸气侵入功能(néng)，表现出良好的耐磨和耐热冲击性能(néng)等方面得到了广泛应用(yòng)。
