熔煉爐內襯耐火材料損壞因素
鋁合金熔化爐熔池剛玉瘤的成因與對策進行了研究,他們認為爐襯破損主要是鋁與爐襯之間的侵蝕反應所致, 即主要成分為Al2O3、Mg Al2O4、Al及少量Si組成的剛玉礦化物 (俗稱剛玉瘤) 的形成, 引起了耐火材料內襯的體積膨脹, 并不斷向爐襯內部擴展, 使爐襯裂紋加劇, 造成惡性循環。嚴重時造成熔煉爐爐體鋼結構變形, 加速爐子報廢。鋁熔煉爐的使用溫度是700~800℃, 750℃時鋁的粘度為0.104Pa⋅s, 與20℃時水的粘度 (0.1 Pa⋅s) 很接近, 具有很強的滲透性。另外, 鋁是很活潑的金屬, 容易與爐襯中的SiO2等成分發生反應, 造成耐火材料損毀。于是改企業的專家又進一步對鋁熔煉爐用耐火材料的現狀和發展進行了分析研究,發現Na、K、Si等進入鋁液, 會降低鋁液的熔點與粘度, 從而促使鋁液向耐火材料滲透, 對耐火材料內襯造成損害。
利用新型耐火材料提高鋁熔煉爐使用壽命, 并從渣腐蝕作用、溫差劇烈變化作用、氣相沉積作用以及機械沖擊與磨損作用等方面分析了對爐襯壽命的影響。
研究內容從鋁合金熔煉過程中所使用的熔劑和添加劑入手, 分析探討其對鋁熔煉爐耐火材料內襯使用壽命的影響。具體的研究結果如下：
一、添加劑和熔劑
目前, 在鋁合金熔鑄生產中, 廣泛使用合金添加劑、覆蓋劑和清渣劑來對鋁熔體進行合金化、覆蓋防氧化并防吸氫, 以及進行熔池清渣處理。
合金添加劑通常由助熔劑、發熱劑、引爆劑和防潮劑構成, 其中, 發熱劑為鋁粉。
合金添加劑的唯一目的就是在鋁合金熔煉過程中, 通過加入合金添加劑調整合金的化學成分, 對鋁熔體進行合金化處理, 使熔體滿足所需要的成分要求。
熔劑的類型比較多, 通常分為覆蓋劑、打渣劑、精煉劑和清爐劑, 它們的組元為堿金屬、堿土金屬的氯鹽、氟鹽及其復鹽。按照其使用目的的不同, 熔劑可分為除氫脫氣熔劑、防氧化覆蓋劑、除氧化物等夾雜物的凈化劑、發熱性除渣劑和清爐用熔劑等。
二、金屬添加劑和熔劑對內襯壽命的影響
金屬添加劑是由金屬粉末、助溶劑、發熱劑、引爆劑和防潮劑按一定比例配比均勻壓制而成。助溶劑的作用是提高添加劑在鋁熔體中的溶解速度和實收率。因為助溶劑本身的熔化溫度比較低, 當它與發熱劑及鋁熔體中諸多物質 (包括添加劑的其他成分) 反應, 產生局部集中放熱, 引燃鋁熔體周圍氧化鋁燃燒, 鋁渣溫度可達2204℃。實際生產中, 在向熔池中投放金屬添加劑時, 不可避免地會將金屬添加劑投放在爐墻附近, 2204℃的高溫必然會對熔池耐火材料內襯造成損害, 因為通常鋁熔煉爐用耐火材料的耐火度低于1800℃。
此外, 目前金屬添加劑中所使用的助熔劑主要是堿金屬和堿土金屬的氯鹽、氟鹽、碳酸鹽、硝酸鹽或硫酸鹽。但它們的共同點是均含有堿金屬和堿土金屬, 如Na C、KCl、Mg Cl2、Zn Cl2、Na F、KF、Mg F2、Na Al3F6、Na2CO3、K2CO3、Na2SO4、K2SO4、Na2NO3和K2CO3, 等等。它們幾乎無一例外地都含有堿金屬和堿土金屬Na、K、Mg。
各種熔劑中的成分與金屬添加劑中助熔劑基本相同, 也是幾乎無一例外地含有堿金屬和堿土金屬Na、K、Mg。
正是由于這些堿金屬和堿土金屬的存在, 會對熔鋁爐耐火材料內襯造成嚴重的侵蝕。以下將重點分析堿金屬和堿土金屬元素對熔鋁爐耐火材料內襯的腐蝕機理。
2.1 堿土金屬Mg對耐火材料內襯的侵蝕
熔劑與合金中的Mg組元是熔煉爐熔池中堿土金屬Mg的主要來源。Mg的化學活性很高, 對耐火材料中的Si O2、Fe2O3等有很強的還原能力。
此外, Mg有很高的蒸汽壓, 使蒸汽比Al更容易沿著耐火材料的微觀通道滲入耐火材料, 并與內襯中的組分Al2O3、Si O2和Fe2O3發生反應, 侵蝕爐襯。此外, Mg元素從爐襯中置換出的Fe和Si也將會對合金熔體造成污染, 影響合金化學成分的準確性。
由此可以看出, 在熔煉鋁合金時, 將會對爐襯產生很嚴重的侵蝕。
2.2 堿金屬Na和K對耐火材料內襯的侵蝕
Na和K的來源主要有以下幾個方面:電解鋁液、重熔鋁錠以及鋁熔體熔煉、精煉和覆蓋過程中所使用的精煉劑、覆蓋劑和清渣劑等。據報道, 重熔鋁錠中的Na含量約為30×10-6, 電解鋁液中的Na含量比重熔鋁錠高, 通常在40×10-6~50×10-6范圍內。合金添加劑中的助熔劑、鋁合金精煉劑、覆蓋劑及打渣劑的主要成分均為堿金屬和堿土金屬的氯鹽、氟鹽 (Na Cl、KCl、Na F、KF, 等) , 也是Na和K的重要來源。它們都會對耐火材料壽命產生嚴重影響。
Na和K的沸點極低, 分別為882.9℃和760℃。在鋁合金熔煉過程中, 熔鋁爐的爐膛工作溫度高達800~1000℃, 最高可達1200℃。在這個溫度范圍, 溶解于鋁熔體中的堿金屬和堿土金屬Na、K、Mg部分蒸發形成Mg、Na、K蒸汽。如此, 在熔煉爐爐膛內就會存在許多CO2、CO、Na (氣) 、K (氣) 和Mg (氣) , 這些氣體和蒸汽通過耐火材料的微觀通道向其內部滲透, 并與耐火材料組織產生反應, 形成新的膨脹相, 如鉀霞石 (含鉀) 和霞石 (含鈉) , 兩者都會對耐火材料結構造成損害, 加速耐火材料內襯的失效。
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