铝工业炉用耐火材料

BUSINESSBUSINESS铝工业炉用耐火材料成员：闫丹、兰平一.铝二.铝工业炉三.铝工业炉用耐火材料目录铝铝铝铝为银白色轻金属为银白色轻金属，有延展性。有延展性。商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠氢氧化钠和氢氧化钾和氢氧化钾溶液，不溶于水。溶液，不溶于水。以其轻、良好的导电和导热性能、高反射性和耐氧以其轻、良好的导电和导热性能、高反射性和耐氧化化性性而被广泛使用。而被广泛使用。做日用皿器的铝通常叫做日用皿器的铝通常叫“钢精钢精”或或“钢种钢种”。铝工业制法工业制法18541854年，法国化学家年，法国化学家德维尔德维尔把把铝矾土、木炭、食盐铝矾土、木炭、食盐混合，通混合，通入入氯气氯气后加热得到后加热得到NaClNaCl AlClAlCl3 3复盐，再将此复盐与过量的复盐，再将此复盐与过量的钠钠熔融，得到了金属熔融，得到了金属铝铝。这时的铝十分珍贵，据说在一次宴会上，法国皇帝这时的铝十分珍贵，据说在一次宴会上，法国皇帝拿破仑拿破仑独独自用铝制的刀叉，而其他人都用银制的餐具。泰国当时的自用铝制的刀叉，而其他人都用银制的餐具。泰国当时的国王曾用过铝制的表链；国王曾用过铝制的表链；18551855年巴黎国际博览会上，展出年巴黎国际博览会上，展出了一小块铝，标签上写到：了一小块铝，标签上写到：“来自粘土的白银来自粘土的白银”，并将它放，并将它放在最珍贵的珠宝旁边。在最珍贵的珠宝旁边。18891889年，俄国沙皇赐给门捷列夫铝年，俄国沙皇赐给门捷列夫铝制奖杯，以表彰其编制化学元素周期表的贡献。制奖杯，以表彰其编制化学元素周期表的贡献。18861886年，年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾铝矾土土和和冰晶石冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。产铝的基础。铝1.1.在世界有色金属生产中，铝在世界有色金属生产中，铝年产量居世界第一年产量居世界第一2.2.生产金属铝的方法生产金属铝的方法两步法：两步法：第一步：用第一步：用湿法湿法从从铝矾土矿铝矾土矿中制取中制取工业氧化铝工业氧化铝；第二步：以工业氧化铝为原料，采用第二步：以工业氧化铝为原料，采用熔盐电解法熔盐电解法制制取金属铝。取金属铝。3.3.生产过程中所用高温炉窑：回转窑、闪速窑、熔盐生产过程中所用高温炉窑：回转窑、闪速窑、熔盐电解槽、熔铝炉等。电解槽、熔铝炉等。4.4.铝工业炉的耐火材料铝工业炉的耐火材料消耗量很大消耗量很大。铝1.2工业制铝工业制铝铝铝消耗量大的原因在于：铝消耗量大的原因在于：在制取氧化铝时，物料中碱性物质对回转窑耐火在制取氧化铝时，物料中碱性物质对回转窑耐火材料的侵蚀特别严重。在熔炼材料的侵蚀特别严重。在熔炼AlAl的过程中，即使在的过程中，即使在较低温度下，金属较低温度下，金属AlAl仍具有很强的渗透能力，一旦仍具有很强的渗透能力，一旦渗入砖内，将与砖中的二氧化硅发生反应，把渗入砖内，将与砖中的二氧化硅发生反应，把SiSi还还原出来，破坏了耐火材料的组织结构，使炉衬产生原出来，破坏了耐火材料的组织结构，使炉衬产生变质层，疏松、剥落而损毁。其反应式为：变质层，疏松、剥落而损毁。其反应式为：SiO2+Al SiO2+AlAl2O3+SiAl2O3+Si铝因此：因此：含含SiO2SiO2的耐火材料均不宜作为金属铝熔炼设的耐火材料均不宜作为金属铝熔炼设备的筑炉材料。备的筑炉材料。所以：所以：一般铝工业炉用耐火材料，除高铝砖外，常用一般铝工业炉用耐火材料，除高铝砖外，常用碳质制品。碳质制品。铝铝从铝土矿中提取铝反应过程从铝土矿中提取铝反应过程：溶解：将铝土矿溶于溶解：将铝土矿溶于NaOHNaOH熔液熔液过滤：除去残渣氧化亚铁过滤：除去残渣氧化亚铁(FeO)(FeO)、硅铝酸钠等、硅铝酸钠等酸化：向滤液中通入过量酸化：向滤液中通入过量CO2.CO2.过滤、灼烧过滤、灼烧电解：电解：氧化铝氧化铝注：注：注：注：电解时为使氧化铝熔融温度降低，在电解时为使氧化铝熔融温度降低，在Al2O3 Al2O3 中中添加冰晶石添加冰晶石(Na3AlF6)(Na3AlF6)注：注：注：注：不电解熔融不电解熔融AlCl3AlCl3炼炼Al Al 原因：原因：AlCl3AlCl3是共价化合是共价化合物，其熔融态不导电。物，其熔融态不导电。铝 1 1从整个工艺流程看，可分成从整个工艺流程看，可分成提纯提纯和和冶炼冶炼两两个阶段个阶段；2 2NaOHNaOH溶解铝土矿的目的是溶解铝土矿的目的是溶解氧化铝溶解氧化铝3 3两次过滤作用两次过滤作用：除去杂质和分离除去杂质和分离AlAl（OHOH）3 34 4把滤液酸化的作用是生成把滤液酸化的作用是生成AlAl（OHOH）3 35 5流程中用二氧化碳而不用盐酸的原因是流程中用二氧化碳而不用盐酸的原因是AlAl（OHOH）3 3可溶解在过量的可溶解在过量的HClHCl中中铝铝工业炉2.12.1、氧化铝用工业炉、氧化铝用工业炉2.22.2、铝电解槽、铝电解槽2.32.3、铝熔炼炉和保温炉、铝熔炼炉和保温炉2.42.4、铝水罐、铝水罐2.1生产氧化铝用工业炉生产氧化铝主要采用碱法，即碱石灰烧结法；其工艺过程：先将 (质量比)小于4的铝矾土、碳酸钠、石灰混匀，于12001300煅烧生成 、等，然后细磨、浸出、分离出 再将 焙烧脱水制得 。一般采用回转窑和闪速炉煅烧。铝工业炉铝工业炉2.1.12.1.1回转窑回转窑 回转窑窑体为钢板焊接而成的回转窑窑体为钢板焊接而成的筒体筒体，内衬耐火材料，内衬耐火材料。回转窑内煅烧过程为：回转窑内煅烧过程为：高温火焰和被加热物料在炉内作逆向运动。碱石灰高温火焰和被加热物料在炉内作逆向运动。碱石灰铝矾土生料浆（含水铝矾土生料浆（含水40%40%）或氢氧化铝（含水）或氢氧化铝（含水12%18%12%18%）由窑尾加入，经低温干燥脱水、加热、高）由窑尾加入，经低温干燥脱水、加热、高温煅烧，从窑头出料，而高温气体由窑头向窑尾流动。温煅烧，从窑头出料，而高温气体由窑头向窑尾流动。因此，窑内划分为因此，窑内划分为预热带和高温煅烧带预热带和高温煅烧带。为防止浆料在。为防止浆料在加热煅烧过程中粘结窑衬并强化传热过程，在耐火材料加热煅烧过程中粘结窑衬并强化传热过程，在耐火材料砌体间还设置有链条，在窑体转动的过程中，不断地打砌体间还设置有链条，在窑体转动的过程中，不断地打击物料和衬砖，对窑衬有一定的损坏。所以回转窑内耐击物料和衬砖，对窑衬有一定的损坏。所以回转窑内耐火材料工作环境恶劣，条件苛刻，它应当具有如下一些火材料工作环境恶劣，条件苛刻，它应当具有如下一些特性特性：特性特性：铝工业炉回转窑内耐火材料特性：回转窑内耐火材料特性：抗碱侵蚀能力强；抗碱侵蚀能力强；能长期处于能长期处于1200130012001300温度下工作而不损坏；温度下工作而不损坏；能承受动载荷的冲击；能承受动载荷的冲击；能抵抗炉料的侵蚀；能抵抗炉料的侵蚀；能耐高温气流的冲蚀。能耐高温气流的冲蚀。铝工业炉铝工业炉2.1.2闪速炉一种强化生产的熔炼炉近年来，国内主要氧化铝厂家的氢氧化铝焙烧已全部或部分引进的流态化焙烧装置。流态化焙烧装置分流态化闪速炉、循环流化床焙烧床、悬浮陪烧炉3种炉型。铝工业炉铝工业炉 铝电解槽就是电解装置，又是高温冶金设备，电解槽的形式很多，但基本构造是一致的，应用最广的是密闭式自焙阳极电解槽。2.2、铝电解槽铝工业炉铝电解铝电解采用冰晶石（六氟合铝酸钠采用冰晶石（六氟合铝酸钠)、氟化铝、氟化、氟化铝、氟化锂等熔液为电解质，将锂等熔液为电解质，将AL2Q3AL2Q3加入电解槽，通电加入电解槽，通电熔化。熔化。虽然虽然Al2Q3Al2Q3熔点为熔点为20502050，但在氟化盐熔体中可降至，但在氟化盐熔体中可降至970970左右。在电场力的作用下，左右。在电场力的作用下，Al2Q3Al2Q3电离，电离，AlAl在在阴极聚集，可用真空泵吸入铝水罐送去进一步处理阴极聚集，可用真空泵吸入铝水罐送去进一步处理和铸锭，阳极放出的氧与炭阳极反应生成和铸锭，阳极放出的氧与炭阳极反应生成CO2CO2或或COCO。电化学反应放出的热量使电解质与铝保持熔。电化学反应放出的热量使电解质与铝保持熔融状态。融状态。所以，所以，电解槽内衬实际上既是导电材料（如槽底炭砖）电解槽内衬实际上既是导电材料（如槽底炭砖），又是高温耐火材料。，又是高温耐火材料。电解槽用耐火材料电解槽用耐火材料：能抵抗熔融氟化物的侵蚀能抵抗熔融氟化物的侵蚀；有良好的导电能力有良好的导电能力；少量或不含少量或不含SiO2SiO2，以避免，以避免SiO2SiO2被金属铝还原被金属铝还原同时要求气孔率低和致密度高，以防铝液渗漏。同时要求气孔率低和致密度高，以防铝液渗漏。铝工业炉2.3、铝熔炼炉和保温炉铝熔炼炉和保温炉铝熔炼炉和保温炉有燃气或燃油的固定式或倾动式反射炉，有燃气或燃油的固定式或倾动式反射炉，转筒炉和感应电炉等。转筒炉和感应电炉等。熔炼炉和保温炉的操作温度一般为熔炼炉和保温炉的操作温度一般为70010007001000，其炉衬损毁，其炉衬损毁的主要原因：的主要原因：1 1、铝液的渗透和冲刷；铝液的渗透和冲刷；2 2、铝及其合金中的镁、硅、锰等活泼元素对炉衬中氧化铝及其合金中的镁、硅、锰等活泼元素对炉衬中氧化物的强还原反应；物的强还原反应；3 3、合金元素如合金元素如MgMg蒸气压高，其蒸气比铝液更容易渗入耐蒸气压高，其蒸气比铝液更容易渗入耐火材料，随之又氧化火材料，随之又氧化，这些耐火材料变质、结构疏松和损，这些耐火材料变质、结构疏松和损坏，并使铝液中坏，并使铝液中FeFe、SiSi杂质含量增加；杂质含量增加；4 4、铝与合金元素的蒸发、氧化还会在耐火衬、铝与合金元素的蒸发、氧化还会在耐火衬-铝液铝液-炉气炉气三相交界处附近生成三相交界处附近生成Al2O3Al2O3、MgOMgO、SiO2SiO2、MgOAl2O3MgOAl2O3等高熔点氧化物形成结瘤。等高熔点氧化物形成结瘤。铝工业炉顶加料园形熔铝炉铝熔炼炉和保温炉铝熔炼炉和保温炉因此：因此：因此：因此：适应于铝熔炼炉和保温炉的耐火材料必须有：适应于铝熔炼炉和保温炉的耐火材料必须有：适应于铝熔炼炉和保温炉的耐火材料必须有：适应于铝熔炼炉和保温炉的耐火材料必须有：较高的烧结强度；较高的烧结强度；较高的烧结强度；较高的烧结强度；细小的气孔直径；细小的气孔直径；细小的气孔直径；细小的气孔直径；SiO2 SiO2、Na2ONa2O、K2OK2O含量低；含量低；含量低；含量低；表面与熔液不润湿等。表面与熔液不润湿等。表面与熔液不润湿等。表面与熔液不润湿等。此外：此外：此外：此外：炉衬还应具有在炉衬还应具有在炉衬还应具有在炉衬还应具有在800800的温度下良好的的温度下良好的的温度下良好的的温度下良好的烧结性能。烧结性能。烧结性能。烧结性能。铝工业炉2.4、铝水罐铝水罐铝水罐盛铝液的高温容器。盛铝液的高温容器。铝水罐用耐火材料要求：铝水罐用耐火材料要求：能耐铝水的侵蚀；能耐铝水的侵蚀；能承受急冷急热的作用；能承受急冷急热的作用；保温性好。保温性好。铝工业炉3.13.1生产氧化铝用耐火材料生产氧化铝用耐火材料3.23.2铝电解槽用耐火材料铝电解槽用耐火材料3.33.3铝熔炼炉和保温炉用耐火材料铝熔炼炉和保温炉用耐火材料3.43.4铝水罐用耐火材料铝水罐用耐火材料铝工业炉用耐火材料铝工业炉用耐火材料3.13.1生产氧化铝用耐火材料生产氧化铝用耐火材料生产氧化铝用耐火材料生产氧化铝用耐火材料回转窑：回转窑：回转窑的回转窑的绝热层绝热层为靠窑壳铺一层耐火纤维毡，然后用为靠窑壳铺一层耐火纤维毡，然后用硅藻土、漂珠砖或轻质粘土砖砌筑，现在有的改用硅藻土、漂珠砖或轻质粘土砖砌筑，现在有的改用轻质耐火浇注料。轻质耐火浇注料。预热带工作衬预热带工作衬用粘土砖砌筑，用粘土砖砌筑，高温煅烧带高温煅烧带用高铝砖或用高铝砖或磷酸盐结合不烧高铝砖。磷酸盐结合不烧高铝砖。目前，不定形耐火材料在铝工业得到了广泛应用，如目前，不定形耐火材料在铝工业得到了广泛应用，如在煅烧带用低钙铝酸盐结合的耐火浇注料，窑口、在煅烧带用低钙铝酸盐结合的耐火浇注料，窑口、窑头罩、窑尾等部位用钢纤维增强耐磨浇注料等。窑头罩、窑尾等部位用钢纤维增强耐磨浇注料等。回转窑回转窑铝工业炉用耐火材料闪速炉闪速炉闪速炉闪速炉是先在炉壳上安装耐热钢锚固钉或陶瓷锚固是先在炉壳上安装耐热钢锚固钉或陶瓷锚固件，然后铺一层件，然后铺一层20mm20mm厚的耐火纤维毡，最后浇注厚的耐火纤维毡，最后浇注200300mm200300mm厚的耐火浇注料。在厚的耐火浇注料。在 焙烧中，焙烧中，初生态的初生态的 的活性大，可能与的活性大，可能与 质质耐火材料中的游离耐火材料中的游离 发生莫来石反应（也称三发生莫来石反应（也称三次莫来石），使衬砖结构破坏。同时因为对氧化铝次莫来石），使衬砖结构破坏。同时因为对氧化铝产品的质量有很严格的要求，内衬材料任何杂质的产品的质量有很严格的要求，内衬材料任何杂质的混入都直接影响产品的性能。混入都直接影响产品的性能。所以，所以，焙烧炉主要采用焙烧炉主要采用 含量高（不小于含量高（不小于45%45%）的浇注料和喷涂料。的浇注料和喷涂料。闪速炉闪速炉电解槽电解槽过去过去过去过去：电解槽内衬电解槽内衬一般采用一般采用致密优质炭砖砌筑致密优质炭砖砌筑，非工作层非工作层为高铝砖砌筑，为高铝砖砌筑，绝热层绝热层多采用多采用轻质高铝砖和耐火纤轻质高铝砖和耐火纤维维制品，并用制品，并用钢制壳体钢制壳体固定。固定。但但但但：因碳与钠反应形成新化合物，使砖衬结构松弛，因碳与钠反应形成新化合物，使砖衬结构松弛，强度降低，砖衬出现裂缝。随后电解质和铝液延裂强度降低，砖衬出现裂缝。随后电解质和铝液延裂缝渗入，在高温下铝会与碳反映生成缝渗入，在高温下铝会与碳反映生成AL4C3,AL4C3,AL4C3AL4C3与碳结合松散，从而使裂缝扩展最终与碳结合松散，从而使裂缝扩展最终 导致电解槽槽壳变形及内衬严重蚀损而缩短使用寿导致电解槽槽壳变形及内衬严重蚀损而缩短使用寿命。命。铝工业炉用耐火材料3.23.2铝电解槽用耐火材料铝电解槽用耐火材料目前目前：电解槽槽底阴极材料电解槽槽底阴极材料开始采用导电能力高，抗侵蚀开始采用导电能力高，抗侵蚀性能更优的性能更优的石墨制品。石墨制品。由于由于TiB2TiB2在导电性，抗铝在导电性，抗铝液与冰晶石的侵蚀性都很好，与铝液润湿性也好，液与冰晶石的侵蚀性都很好，与铝液润湿性也好，有实验报道在槽底炭块上有实验报道在槽底炭块上覆盖一层覆盖一层TiB2TiB2涂层涂层后，后，可降低电耗，延长电解槽使用寿命。可降低电耗，延长电解槽使用寿命。电解槽侧墙电解槽侧墙炭砖炭砖最大的缺点是抗氧化性能差，强度最大的缺点是抗氧化性能差，强度低。为使侧墙不氧化，又具有较大的电阻，并能低。为使侧墙不氧化，又具有较大的电阻，并能抗铝液和冰晶石的侵袭，现在铝电解槽侧墙已经抗铝液和冰晶石的侵袭，现在铝电解槽侧墙已经采用采用氮化硅结合碳化硅砖氮化硅结合碳化硅砖。采用这种砖砌筑后，。采用这种砖砌筑后，不仅延长了使用寿命，减少了漏电，降低了电耗，不仅延长了使用寿命，减少了漏电，降低了电耗，还可以减少原来侧墙的厚度，增加电解槽的容积。还可以减少原来侧墙的厚度，增加电解槽的容积。铝工业炉用耐火材料电解槽在在电解铝的生产过程中，电解质中的电解铝的生产过程中，电解质中的NaFNaF等液体与等液体与蒸汽蒸汽能通过能通过槽底碳质阴极槽底碳质阴极深入到下面深入到下面隔热层隔热层中。中。隔热层渗入隔热层渗入NaFNaF等后，热导率增大，碳质阴极温等后，热导率增大，碳质阴极温度就会降低，若其温度降至度就会降低，若其温度降至850850以下，以下，NaFNaF就会就会在碳质阴极内结晶，使炭砖鼓胀、破坏。在碳质阴极内结晶，使炭砖鼓胀、破坏。为为保证碳质阴极内温度在保证碳质阴极内温度在850850以上，其办法就是以上，其办法就是在碳阴极与隔热材料之间铺一层在碳阴极与隔热材料之间铺一层防渗料防渗料，使，使NaFNaF等不能渗入到隔热层，又具有良好的保温性能。等不能渗入到隔热层，又具有良好的保温性能。铝工业炉用耐火材料电解槽铝工业炉用耐火材料电解槽铝熔炼炉和保温炉铝熔炼炉和保温炉铝熔炼炉反射炉铝熔炼炉反射炉接触铝液的工作衬接触铝液的工作衬，一般采用，一般采用Al2O3Al2O3含量为含量为80%85%80%85%的的高铝砖高铝砖砌筑；熔炼高纯砌筑；熔炼高纯金属铝时，采用莫来石砖或刚玉砖。金属铝时，采用莫来石砖或刚玉砖。在在炉床斜坡和装废旧铝料等易侵蚀和磨损的部位炉床斜坡和装废旧铝料等易侵蚀和磨损的部位，用用氮化硅结合氮化硅砖氮化硅结合氮化硅砖。流铝槽和出铝口流铝槽和出铝口等部位，铝液冲刷严重，一般采用等部位，铝液冲刷严重，一般采用自结合或氮化硅结合的碳化硅砖自结合或氮化硅结合的碳化硅砖，也有用，也有用锆英石锆英石砖砖做内衬；做内衬；输送铝液管道输送铝液管道的好材料的好材料钛酸铝钛酸铝具有线膨胀具有线膨胀系数低，抗热震性好，热导率低，保温性能好等系数低，抗热震性好，热导率低，保温性能好等优点优点不接触铝液的炉衬不接触铝液的炉衬不接触铝液的炉衬不接触铝液的炉衬，一般采用，一般采用，一般采用，一般采用粘土砖、粘土质耐火粘土砖、粘土质耐火粘土砖、粘土质耐火粘土砖、粘土质耐火浇注料或耐火可塑料。浇注料或耐火可塑料。浇注料或耐火可塑料。浇注料或耐火可塑料。铝工业炉用耐火材料铝熔炼炉和保温炉铝熔炼炉和保温炉熔炼铝及铝合金的感应炉熔炼铝及铝合金的感应炉常为工频或中频坩常为工频或中频坩埚式感应电炉，炉衬材料一般为埚式感应电炉，炉衬材料一般为高铝质干式高铝质干式捣打料捣打料，或在，或在氧化铝质干式捣打料中添加碳氧化铝质干式捣打料中添加碳化硅化硅SiCSiC与与Al2O3Al2O3的作用可形成致密的烧的作用可形成致密的烧结层，不易发生漏液问题。结层，不易发生漏液问题。炉衬表面炉衬表面还可以涂上还可以涂上与铝液不润湿与铝液不润湿的的石墨、碳石墨、碳化物、氮化物等化物、氮化物等，阻止铝液的渗透。阻止铝液的渗透。铝工业炉用耐火材料铝水罐铝水罐非工作层一般采用体积密度为1.7g/cm*3的轻质浇注料或轻质高铝砖，为了加强保温效果，减轻罐体重量，可采用氧化铝空心球耐火浇注料。工作衬一般采用SiO2低的高铝砖砌筑。现在有的罐底内衬采用刚玉质耐火浇注料，出铝口周围采用碳化硅转、刚玉砖或熔融石英砖砌筑。铝工业炉用耐火材料3.43.4铝水罐用耐火材料铝水罐用耐火材料目前铝工业炉窑大目前铝工业炉窑大量使用不定形耐量使用不定形耐火材料，对节能火材料，对节能和提高使用寿命和提高使用寿命有显著效果。有显著效果。铝工业炉用耐火材料谢谢观赏！谢谢观赏！BUSINESS