铝电解槽是铝冶炼行业中较易受损的高温设备之一,研究其使用周期对于电解铝行业来说十分重要。以下为耐火砖厂家结合十多年生产实践经验,搜集整理的关于铝电解槽各部位使用耐火材料的分析。
1.阳极惰性材料:
由于电解时在阳极上要析出氧,因此采用碳素做阳极材料,不但会氧化产生CO与CO2,污染环境,而且碳阳极消耗很大,生产1tAl需消耗约300kg碳阳极材料。因此,寻求一种导电性好,不与阳极析出的氧反应,抗氧化,又不污染铝液,能抗冰晶石熔体与Al液侵蚀的惰性阳极材料就成了炼铝工业中一个重大研究课题。
惰性阳极材料的研究报道不少,但至今仍未见到工业化与商品化。已有的研究多集中于:
(1)陶瓷型:其中有在冰晶石熔液中溶解度小,在900℃时又具有良好导电性的SnO2、NiO、Fe2O3、Sb2O3与CuO构成的陶瓷材料如96%SnO2+2%Sb2O3+2%CuO;
(2)合金型,如Cu-Ni-Fe基;
(3)金属陶瓷型:如NiFe2O4-18%NiO-17%Cu。
由氧化物构成的陶瓷型阳极材料,虽然SnO2热膨胀系数低,在冰晶石-Al2O3熔体中溶解度很小,1500℃以下很稳定,抗氧化性与抗侵蚀性都较好;但其导电性与强度不易满足要求,且很脆。由金属构成的合金型阳极材料,导电性与强度都甚好,但在抗氧化、抗侵蚀与对铝液的污染上尚不符合要求。金属陶瓷型阳极材料,由于金属导电性好,氧化物陶瓷抗氧化性好,二者结合为复合材料,对强度与克服脆性都有好处,但抗侵蚀性尚存在问题。Alcoa研究的金属陶瓷惰性阳极,最长使用时间为12.5天(300h);他们希望这种惰性阳极寿命达到6个月。
2.阴极材料:
铝电解槽阴极是用碳砖。Al液会与碳反应生成Al4C3,以及Al液与碳质槽底阴极润湿不良;结果在槽底会沉积一些导电性不良物质,导致电压降增大,电耗增加。TiB2在导电性,抗Al液与冰晶石的侵蚀性都甚好,TiB2与Al液的润湿也好,适宜于做铝电解槽阴极材料。已有一些试验报道表明,在槽底碳块上覆盖一层TiB2涂层后,由于Al液与TiB2之间润湿性好,TiB2涂层表面被Al液紧密黏附,槽底无沉积物积聚,极间距减小,电耗降低,电解槽使用周期延长。
3.侧墙材料:
铝电解槽侧墙过去一直采用碳砖。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。为使侧墙不氧化,又具有较大电阻,并能抗Al液与冰晶石侵蚀,现在铝电解槽侧墙已采用Si2N4结合碳化硅砖砌筑。采用这种砖砌筑后,不仅延长了电解槽寿命,减少了漏电,降低了电耗;还可减少原来侧墙的厚度,增加电解槽的容积。
4.碳质槽底下面防电解质渗透的阻挡层:
电解质中的NaF等液体与蒸气能通过槽底碳质阴极渗入到下面隔热层中。隔热层渗入NaF等后,热导率增大,碳质阴极温度就会降低,若其温度降至850℃以下,NaF就会在碳质阴极内结晶,使碳砖鼓胀、破坏。为保证碳质阴极内温度在850℃以上,其办法就是在碳阴极与隔热材料之间铺一层防渗料,使碳阴极的温度保持在850℃以上,同时NaF等又不能渗入到隔热层。Allaire C的研究表明:Al2O3-SiO2材料防渗料中Al2O3与SiO2的质量比大于0.9时,由于NaF会与Al2O3-SiO2料反应生霞石(NaAlSiO4熔点1520℃),堵塞其气孔,从而阻止了NaF等的渗透。此处常使用干式防渗料作衬。