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refractories for aluminiumsmelting
简介
砌筑炼铝工业窑炉所用的耐火材料。炼铝工艺过程主要是生产氧化铝，而后将氧化铝电解成金属铝并进行熔炼脱氢纯化处理，最后铸成铝锭。炼铝用的窑炉种类较多，炉子工作温度较低，使用条件较好，一般采用粘土砖和高铝砖等材料作衬体，即可满足生产要求，而且使用寿命较长。
生产氧化铝用耐火材料 用铝矾土为原料先生产氢氧化铝，然后在950～1200℃的温度下煅烧，便获得氧化铝。煅烧氢氧化铝的热工设备一般采用回转窑和闪速焙烧炉。
回转窑用耐火材料 回转窑分为预热带、烧成带和冷却带。烧成带的工作温度不高于1200℃。窑绝热层结构为先靠炉壳铺一层耐火纤维毡，然后用硅藻土砖、粘土质隔热砖或漂珠砖等隔热砖砌筑，也可用体积密度为0.8g/cm3的轻质耐火浇注料整体浇灌。预热带工作层用粘土砖砌筑，烧成带工作层用高铝砖、低钙铝酸盐水泥高铝质不烧砖或磷酸高铝质不烧砖砌筑。冷却带工作层受烧成物料磨损较大，除采用致密粘土砖砌筑外，宜选用磷酸高铝质不烧砖砌筑。
闪速焙烧炉用耐火材料 该炉组由闪速炉、预热炉、停留槽、流态化干燥器和冷却器等部分组成。最高工作温度为1100℃左右，炉体截断面的物料最大流速约为30m/s。炉内物料整个焙烧过程是在高温、高速和不断改变流向的条件下进行的，因此对炉衬产生磨损。该炉衬体一般用高强度硅酸铝质耐火浇注料浇灌。即先在炉壳上焊接耐热钢锚固钉或安装陶瓷锚固件，然后铺一层20mm厚的耐火纤维毡，最后浇灌200～300mm厚的耐火浇注料。经烘炉后即可使用。
氧化铝电解用耐火材料 用氧化铝和冰晶石(Na3AlF6)熔剂组成电解质，将电解质溶液装进电解槽(图1)中通电，在950～970℃的温度下，使其中的氧化铝分解为金属铝和氧。
铝电解槽的非工作层厚度一般为240～400mm，首先靠槽壳铺一层绝热板或耐火纤维毡，接着砌筑粘土质隔热砖或漂珠砖，也可浇灌体积密度为1.0g/cm3的轻质耐火浇注料，最后砌筑普通粘土砖;工作层采用碳质或氮化硅结合碳化硅质耐火材料砌筑，能抵抗铝液的渗透、氟化物和电解质及熔融钠盐的侵蚀，延长使用寿命。槽壁工作层一般用碳块砌筑，如采用碳化硅砖时，可减薄工作层，有利于扩大槽容量，提高其导热性、抗侵蚀性和机械强度，对高功率或快速冷却的铝电解槽尤为适用。同时，在碳化硅砖层表面上还可形成氧化铝与冰晶石的共熔物，保护槽壁工作层，延长使用寿命。槽底工作层用炭块砌筑，厚400～500mm，其中埋设有金属导体，周围用碳质耐火捣打料捣实而构成阴极内衬。电解槽生产初期，由于热应力作用和碳砖与铝液的化学反应引起砌体体积膨胀，使碳砖拱起或出现裂纹，致使电解质和铝液渗透到阴极内衬，将影响其使用寿命。因此，炭块砌缝要求较小，并用粗、细缝糊实砌，以防渗漏。小型电解槽的工作层可用碳质耐火捣打料捣打成整体衬。铝电解槽衬体的平均使用寿命为3～4a。当用碳化硅砖作槽壁，用高效粘结剂砌筑槽底炭块时，其使用寿命可提高至4～7a。
图1 铝电解槽断面示意图
1—烟罩;2—炭极块(阳极);3—电解质;4—侧壁炭块;5—导电体; 6—金属铝液; 7—槽底炭块(阴极);8—粘土砖衬体;9—熔体亮皮
铝熔炼用耐火材料 炼铝炉主要有反射炉、转筒炉和感应电炉等，操作温度一般为700～1000℃。该类炉子衬体的损毁主要是铝液的渗透和冲刷所致。其衬体一般用粘土砖、高铝砖及刚玉莫来石砖砌筑，也可用高铝质耐火浇注料和耐火可塑料制作，由于使用条件好，炉子寿命较长。
反射炉用耐火材料 该炉分为固定式和倾动式两种，一般采用煤气或重油作燃料。铝的熔炼通常用固定式反射炉(图2)。
图2 反射炉及保温炉示意图
1—装料口; 2—烧嘴;3—反射炉;4—排烟道;5—保温炉;6—处理室;7—放铝口;8—流铝槽
反射炉非工作层用耐火纤维毡和粘土质隔热砖砌筑，熔池以上部位的工作层一般用粘土砖砌筑，也可用高铝质耐火浇注料预制块吊装或在现场进行浇灌或者用高铝质耐火可塑料捣打而成。熔池工作层根据使用要求不同，其材质也不同，一般情况下采用Al2O3含量75%以上的高铝砖砌筑，也可用Al2O3含量为80%的高铝质耐火浇注料浇灌成整体工作层。当熔炼高纯度金属铝时，熔池工作层宜用高纯度的莫来石砖、锆英石砖或刚玉砖砌筑，放铝口、流铝槽及其衬体，为了抵抗铝液的渗透和侵蚀，一般采用大型碳化硅砖砌筑。保温炉及其熔剂和合金料处理室用的耐火材料与反射炉的基本相同。采用铝锭或废铝作原料时，可从装料口直接装进炉膛进行熔炼。当用电解铝液作原料时，首先从铝电解槽底部用虹吸管或真空包汲出铝液，然后运到反射炉，从装料口倒入。装料后，边加热边向熔池内吹入氯气进行脱氢处理。虹吸管内衬一般用耐火纤维增强轻质耐火浇注料作绝热层，也可用0.8g/cm3的粘土质隔热砖砌筑，其工作层普遍采用致密粘土砖或刚玉砖砌筑。真空包内衬的绝热层与虹吸管的相同，其工作层用优质粘土砖或高铝砖砌筑。在正常操作的情况下，反射炉及保温炉的使用寿命一般为2～5a。
转筒炉用耐火材料 该炉非工作层用粘土质隔热砖或漂珠砖砌筑，也可用体积密度为1.0g/cm3的轻质耐火浇注料浇灌或做成预制块砌筑;工作层用致密粘土砖或Al2O3含量大于55%的高铝砖砌筑。转筒炉炉龄一般为300～500炉次。当添加盐类熔剂熔炼铝块时，因化学侵蚀加剧，其炉龄有所降低。
感应电炉用耐火材料 该炉炉衬一般用粘土砖或三等高铝砖砌筑。炉底有时先用高铝质耐火浇注料浇灌基层，然后再砌高铝砖。感应电炉容量小于10t时，其衬体可用Al2O3含量约为75%的高铝质耐火浇注料或耐火捣打料制作，也可用刚玉质耐火浇注料或干式振动料。炉子感应器线圈周围的衬体，一般采用刚玉质耐火浇注料整体浇灌或用干式振动料振动密实。由于原料种类和操作条件的不同，炉子使用寿命也有差异，一般炉龄为0.5～4.0a。在使用期间，线圈周围的衬体等易损部位应进行1～5次小修。
保温炉及铝水罐用耐火材料 铝保温炉分为槽形感应炉、电阻加热池式炉和煤气膛式炉等。该类设备因工作温度较低，一般用粘土砖等材料作衬体，也获得了较高的使用寿命。
槽形感应炉用耐火材料 该炉的衬体结构为先靠炉壳铺10mm厚的石棉板或耐火纤维毡，再砌筑粘土质隔热砖或漂珠砖作绝热层; 炉子的工作层和线圈周围衬体普遍采用粘土质耐火捣打料捣制，也可用粘土质耐火浇注料现场浇灌。大型槽形感应炉的工作层，也可用Al2O3含量大于55%的高铝砖砌筑。
电阻加热池式炉用耐火材料 该炉非工作层用粘土质隔热砖、漂珠砖或隔热板砌筑，也可用体积密度为0.8g/cm3的轻质耐火浇注料整体浇灌;熔池工作层采用Al2O3含量约为80%的高铝砖砌筑，也可用体积密度为2.4g/cm3的高铝质耐火浇注料浇灌。熔池以上部位的工作层一般用粘土砖或耐火浇注料预制块砌筑，也可用高铝质耐火可塑料捣制。
煤气膛式炉用耐火材料 该炉由炉底、炉墙和炉顶组成。可单独使用，为了节约能源，便于管理，也可与炼铝反射炉联合使用。其炉衬材质为粘土砖和高铝砖。
铝水罐用耐火材料 铝水罐是用于盛装铝液、运输和浇铸的热工设备。该罐壁非工作层用粘土质隔热砖砌筑，也可用体积密度为1.5g/cm3的轻质耐火浇注料浇灌。其工作层则用粘土质或高铝质衬砖砌筑，也可用氧化铝空心球耐火浇注料整体浇灌; 罐底采用高铝质衬砖砌筑，或用刚玉质耐火浇注料整体浇灌，其表面涂抹耐火涂抹料作保护层。铸口因受铝液的冲刷和侵蚀，一般用碳化硅砖、刚玉砖或熔融石英砖砌筑。中国普遍用塞棒装置控制铝水罐铝液的浇注。世界大多数国家采用滑动水口装置节流铝水罐铝液。滑动水口的滑板砖用Al2O3含量为90%的高铝质材料或ZrO2含量大于65%的锆质材料制作，使用前需涂抹石墨粉并进行预热，以防止铝液的渗透和冷凝。滑板砖的使用寿命一般为10次左右。
铝精炼用耐火材料 精炼所用热工设备为电解槽。该槽槽壁用镁砖砌筑，其余部位用粘土砖和高铝砖。电解时，操作温度一般为720～800℃，槽衬使用条件好，操作温度低，因此使用寿命较长。