耐火材料与铝液的反应

　　美国凯撒化学公司研究部，对耐火材料与铝液的反应进行了研究，认为耐火砖与铝的反应，随着Al2O3含量增加而减小。在同样的操作条件下，一块含42％Al2O3的砖，在一年中将消耗3.4Kg铝液；而同样规格含90％Al2O3的砖，只消耗1.18kg(2.6lb)铝液。但在粘土结合的耐火材料中，Al2O3含量直到90％，反应仍然相当快。试验证明，用磷酸盐结合的高Al2O3砖，比粘土结合的同样砖更能抵抗化学侵蚀，但对热冲击更敏感。认为含90％Al2O3的砖，对铝的侵蚀、热冲击和机械损伤具有最大的抵抗力，适于冷料装炉。

　　根据实验和生产实践来看，铝液与炉衬耐火材料反应的结果，不仅使铝的纯度降低，而且也降低了铝的纯洁度，同时还使炉衬材料受到铝液的侵蚀。当炉衬采用耐火粘土砖时，使用后炉壁上总是粘附着一层黑硬结痂，耐火砖接触铝液的一侧被剥蚀一层。曾观察到一台使用2.55年的混合炉，耐火砖被剥蚀的深度达15～20mm，有的地方深达25mm。清炉操作也比较困难。当炉衬采用镁砖时，生产中炉内壁上很洁净，没有结痂，其砖缝清晰可见。镁砖耐急冷急热性能差些，对于连续生产的过程来说，可以减轻这一缺点的影响。

　　在实际生产中，铝液在炉内要存留较长的时间。为了保证铝的质量，延长铝熔炼炉的使用寿命，减轻生产操作的劳动强度，合理选择炉衬材料是很有必要的。我国新建的铝厂，都采用高铝砖代替以往的耐火粘土砖做混合炉熔池部分的内衬材料。但是，高铝砖中Al2O3最高含量不超过75％。从提高铝及其合金的熔炼质量来看，如研制出工艺上合理、经济上更为合适的铝熔炼炉内衬材料，将会带来更大的经济效益。

　　曾有专家对铝合金熔化炉、静置炉的内衬进行了详细的研究。采用二级粘土耐火砖的20～40t容量的二次铝熔炼炉使用寿命为1.5～2年。使用后其砖具有区域性组织：工作区、过渡区和变化甚小区。

　　工作区与变化甚小区的线膨胀系数显著不同，从而造成内应力，降低砖的热稳性。因为在含有氧化硅相的粘土砖中氧化硅按下述反应被还原：

3SiO2+4Al→2Al2O3+3Si(1)

3(3Al2O3·2Si02)+8A1→13Al2O3+6Si(2)

故工作区内原有相全部或部分被消除，代之以高耐热性的新生成物——刚玉、尖晶石和硅。沿工作区形成了平行于表面的大到1mm的裂纹，促成缺口而破坏。炉底砖在起变化的区内产生微裂纹，在铝液静压力作用下合金组分极易沿此微裂纹渗入界面，加速反应式(1)和反应式(2)的反应，形成吸收金属约16％的很厚工作区。改用大于98％Al2O3的刚玉砖作炉底和金属液面下炉壁的衬里，在2年使用期间观察，未发现刚玉砖发生可见的变化。在静置炉中使用13个月后，未发现相互作用的痕迹，砖尺寸未变，质量增加600g，开孔度2.9％。X射线分析表明，砖的所有区都有Al2O3和A1存在，但刚玉颗粒不与铝相互作用。在大于0.1mm的所有孔隙中渗进铝，较小孔隙中部分渗入。经计算，1m2刚玉一年吸收15kg铝，约为粘土砖的1／2。认为用刚玉砖作炉衬，能增加炉子使用寿命，减少合金被硅污染，使用中熔池容积不变，减少了金属在砖砌体中的损失。粘土耐火砖的主要成分是莫来石(3Al2O3·2SiO2)和方英石(SiO2)，它同熔融铝会发生反应式(1)和反应式(2)反应。砌砖用的粘土火泥主要成分是高岭土(Al2O3·2SiO2)，它同熔融铝除了发生反应式(1)和反应式(2)的反应之外，还可能有下式反应：

3(Al2O3·Si02)+8A1=7Al2O3+6Si(3)

    这些反应的结果，均会导致结晶硅污染铝熔体和炉壁结瘤。不同的耐火材料，按其氧化铝含量增高和相应地二氧化硅含量降低的顺序为：粘土→莫来石→硅石→莫来石→莫来石→刚玉→刚玉。假定粘土耐火材料中二氧化硅含量为45％～65％，那么在刚玉中它不超过1％～8％。通常认为要消除由于炉村产生的结晶硅污染，刚玉是最有效的；Al2O3含量大于72％的莫来石-刚玉，其性质近于刚玉，可以使用；而SiO2含量较高的莫来石-硅石和莫来石则不适用。由于Al2O3含量大于90％的耐火材料浸蚀所造成铝损耗比粘土砖要少90％～92％，认为最好的方法是炉子的熔池内衬采用刚玉，而顶盖和熔池以上的壁衬用纤维耐火材料。

　　在火焰反射炉中，铝液温度约为704℃，但液面以上耐火材料的温度通常为1093—1316℃，液面以下的炉衬用75％～90％Al2O3或用磷酸盐粘结剂的85％Al2O3。液面以上通常是用高效能的耐火粘土，可塑的或浇注的耐火材料。发现在反射炉中铝液面以上的炉壁和炉顶被6号油的燃烧产物熔蚀得很厉害，因而改用了含Al2O3成分更高的耐火材料，并改用2号油作燃料。因此，在火焰反射炉中，炉衬材料除了要考虑它与铝液的相互作用之外，还要考虑其对燃烧产物的抗侵蚀性能。

　　在熔炼生产过程中，除了炉衬材料对铝熔体质量的影响之外，炉型和熔池几何尺寸对液体金属中固体和气体夹杂物含量也有影响。B.A.TapxymehkO等人的研究结果表明，用CAH-2型电炉与CAH-1.5煤气炉相比，熔体中气体含量，前者比后者低1倍，而熔体中的氧化夹杂物含量前者比后者高2倍。随着熔池深度减小，金属中固体夹杂物的含量明显地减少，而气体夹杂物则增加，同时呈不稳性急剧增长。感应炉熔炼铝合金时，气孔率能减少1.5～2倍，非金属杂质下降到50％～40％。