耐火材料在冶炼炉使用中出现挂渣及剥落分析

 

冶炼炉及耐火材料介绍

1.保温炉用耐火材料

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。

2.槽形感应炉用耐火材料

槽形感应炉的衬体结构为先靠炉壳铺10mm的石棉板或耐火纤维毡，再砌筑粘土质隔热耐火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%的高铝耐火砖砌筑。

3.电阻加热池式炉

电阻加热池式炉非工作层用粘土质隔热耐火砖、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%的高铝耐火砖砌筑，也可用体积密度为2.4g/cm3的高铝质耐火火浇注料浇灌。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。

4.煤气膛式炉

煤气膛式炉由炉底、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耐火砖。

 

5.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耐火砖砌筑，也可用体积密度为1.5g/cm3的 轻质耐火浇注料浇灌。其工作层则用粘土砖或高铝耐火砖砌筑，也可用氧化铝空心球耐火浇注料整体浇灌;罐底采用高铝耐火砖砌筑，或用刚玉耐火浇注料整体浇灌，其表面涂抹耐火涂抹料作保护层。铸口因受铝液的冲剐和侵蚀，一般用碳化硅砖、刚玉砖或熔融石英砖砌筑。中国普通用塞棒装置控制铝水罐铝液的浇注。

6.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耐火砖，电解时，槽温度一般为720-800℃，槽衬使用条件好，操作温度低，因此使用寿命较长。   

 

耐火材料挂渣层形成的原因

在耐火材料中的渗透熔融状态的铜锍具有良好的流动性。由于在反应塔耐火炉衬的表面覆盖着一层致密的以磁性氧化铁为主要组成的挂渣层，因此溅落到壁面的熔锍并不直接渗透进入砖体，而是首先沿着挂渣的硅酸盐通道渗入渣内，并与渣内物质相互作用，在渣的不同深度生成Cu或Cu2O等物质。

反应塔壁面的挂渣虽然有效地阻止了铜锍的直接侵入，但是并不能杜绝熔锍对砖衬所造成的蚀损。透过渣层，仍有少量熔锍可以渗透通过，然后沿着砖体的气孔或裂缝等毛细管通道渗入砖内。由于越靠近砖中心，氧势越高，因此进入砖体后的铜锍很容易发生氧化反应。反应后生成的Cu2O存在于砖衬主晶与基质之间，并未见渗透进入其它晶粒内部。

熔融氧化铜（CuO-Cu2O在1140℃时的低共溶物）的渗透将引起砖热导率的增大，随之而产生炉衬的强烈透热、剥落和膨胀，其中Cu氧化成CuO，体积膨胀75%；氧化成Cu2O，体积则增加64%。因此，从微观结构看，熔锍对反应塔炉衬的腐蚀主要为铜锍的渗透、反应及其产生的化学结构应力。

 

耐火材料剥落分析

对与耐火材料相邻层进行的EDX分析表明，它主要是由磁铁矿石组成，还含有少量溶解的生石灰；相邻层中铬和镁含量少，这表明耐火材料在铁酸钙炉渣中的溶解度很低。在相同温度和接触时间下，这种耐火材料受铁酸钙炉渣侵蚀的程度比受含铁硅酸盐炉渣侵蚀的程度要低。大部分氧化镁基耐火材料容易被炉渣渗透，这个问题是此类耐火材料所特有的。不过，也有一个例外。为耐火材料显微结构。这是一种低气孔硅酸钙结合的氧化镁质耐火材料。

 

炉渣对这种材料的渗入量很小，这主要是因为形成了一层起阻挡作用的固体镁方铁体层。该相中的FeZ抑制了CL发射，从而形成一个暗区，把右边没受侵蚀的氧化镁颗粒同左边的凝结炉渣其它方镁石基耐火砖在与炉渣接触时也形成了镁方铁体层，但显示出的耐渗透性要低得多；耐火材料的低气孔或许是造成不同结果的原因所在。

这种耐侵蚀性有其潜在的意义，这主要是因为它可防止氧化铜侵人耐火材料，从而把对大部分铜冶炼炉耐火材料造成冲击的剥落现象减少到低限度。不过，气孔度较低的耐火材料的热震是一个颇需关注的问题。把一定数量的尖晶石颗粒作为结合相添加在耐火材料V中，会使砖的耐渗透性更强：然而，砖却很容易受到渗透，致使沪渣中的铁离子逐步取代原颗粒中的镁，随之形成的毒化作用使CL显微结构中的颗粒发暗。

 

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