河南耐火材料厂家整理收集铝冶炼行业用耐火材料——铝电解槽用耐火材料。
铝电解槽通常为矩形钢壳,内衬炭砖。电解槽中悬有一炭阳极,其炭质槽底为阴极。电解还原出来的金属铝熔体沉积于槽底阴极。阳极放出的氧与炭阳极反应生成CO2与CO。槽内电解质与铝保持熔融状态。隔一定时间从槽内放出铝液,并向槽内加入一定量的氧化金属陶瓷如NiO-NiFe2O4-Cu、硼化锆、SnO2基材料。SnO2为阴离子空位,在1500℃以下稳定,线膨胀系数低,在冰晶石-Al2O3熔体中溶解度很小,加入少量添加剂能显著降低SnO2材料的电阻率,是一有希望的惰性阳极材料。
1.铝电解槽的侧墙耐火材料:
铝电解槽侧墙过去一直沿用碳砖。侧墙碳砖的破损,影响了电解槽的正常操作,降低了电解槽的寿命。为了使侧墙不氧化,又具有较大电阻,侧墙正朝着部分或全部采用SiC质材料的方向发展。这些SiC质材料有:Al2O3或高铝结合SiC材料、氮化硅结合SiC材料、氧氮化硅结合SiC材料、Sialon结合SiC材料和自结合SiC材料。目前较为一致的看法是用氮化硅结合的碳化硅材料。
SiC材料虽然能与O2或CO2反应生成SiO2,但形成的SiO2薄膜能阻止其继续氧化。此外,从热力学计算可知,在1000℃条件下,SiC不会与Na3AlF6、AlF3、NaF或CaF2反应。
氮化硅结合SiC材料,抗冰晶石侵蚀,抗氧化、强度高、电阻大,不仅可延长电解槽的寿命,减少漏电,还可大大减少衬砖厚度,增加电解槽的容积。
2.铝电解槽底阻挡层用耐火材料:
在电解铝生产中,Na与NaF的蒸气和液体能通过槽底碳质阴极渗入到下面隔热层。隔热层渗入NaF等后热导率增加,电解槽热效率降低,电解槽工作状况随之恶化。阴极碳砖下面的阻挡层就是用来保护隔热材料免受熔盐渗入用的。
在电解槽生产过程中,由于以下反应会产生Na与NaF,即:
3NaF·AlF3+Al→3Na+2AlF3
Na3AlF6+12Na+3C→Al4C3(s)+24NaF
2Na3AlF6+8Na+2O2→NaO·Al2O3(s)+24NaF
4Na3AlF6+12Na+2N2→4AlN+24NaF
NaF在850℃以下会结晶,如果这种结晶发生在碳阴极内,就会引起体积膨胀与碳砖鼓胀,火大降低碳质阴极的寿命。电解槽的设计就是要保证碳阴极材料内部的温度在850℃以上,以免在碳阴极内发生上述现象。其办法就是采用阻挡层与隔热性能好的隔热材料,从而使碳质阴极材料的温度在850℃以下,同时NaF等又不能渗入到隔热层。
有专家研究表明,当阻挡材料的质量比Al2O3/SiO2大于0.9时,就可将Na与NaF的渗透抑制住。因为渗入的Na与NaF会与这种Al2O3-SiO2质耐火材料反应生成霞石(NaAlSiO4熔点1520℃),从而堵塞耐火材料气孔,阻止Na与NaF继续往下渗透。
4Na+SiO2→2Na2O+Si
Na2O+Al2O3+2SiO2→Na2O·Al2O3·2SiO2
6NaF+Al2O3+3SiO2→Na3AlF6+3NaAlSiO4
Na3AlF6+Al2O3+3SiO2→2AlF3+3NaAISiO4
当质量比Al2O3/SiO2大于0.85(相当于霞石中的Al2O3/SiO2比)时,其低熔物的熔化温度都在732℃以上。因此,渗入物在阻挡层就已凝固,从而不能渗入到隔热层。
澳大利亚早前研究出一种特殊低水泥高铝浇注料用来作阻挡层。其化学组成为(%):Al2O367.5,SiO220.6,Fe2O37.2,TiO23.4,K2O+Na2O<0.1;密度2.7g/cm3,气孔率约15%,110℃干燥后抗折强度约11MPa,1000℃烧后耐压强度大于90MPa,热导率(500℃)2.0W/(m·K)。用这种浇注料制成厚度为115mm的阻挡层,使用500天后,对残砖进行了扫描分析,结果说明Na和NaF已被阻挡层抑制住,不能继续渗入隔热层。
也有采用钙长石(CAS2)干粉作阻挡层的,原理也是形成霞石,以阻止Na和NaF渗入隔热层。