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熔鋁爐爐襯材料

熔鋁爐工作溫度一般為700℃~1000℃。從使用溫度來(lái)看，粘土質(zhì)、莫來(lái)石質(zhì)、高鋁質(zhì)定形或不定形耐火制品作爐襯都是可以的，使用壽命約1~5年。但是鋁合金容易與耐火材料中的SiO2發(fā)生反應(yīng)，影響爐子的壽命和鋁合金的成分。因此，為獲得低污染、高質(zhì)量的鋁合金，提高爐襯的使用壽命，就必須深入了解鋁合金熔液和耐材之間可能存在的物理、化學(xué)作用，并有針對(duì)性的采取措施。

鋁合金在熔煉過(guò)程中的特點(diǎn)，以及熔鋁爐間歇式的操作方式，決定了爐襯用耐火材料的損毀有以下幾種方式：

01表面化學(xué)反應(yīng)

4Al+3SiO2=2Al2O3+3Si ΔV=-35% ΔG=-515.3kJ (1)

2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe ΔG=-791.4kJ (2)

SiO2+2Mg=2MgO+Si ΔV=-57% ΔG=-249.6kJ (3)

2SiO2+Mg+2Al=MgAl2O4+2Si ΔV=-25% ΔG=-395.5kJ (4)

3(3Al2O3·2SiO2)+4Al=12Al2O3+6Si ΔV=-18% (5)

3TiO2+4Al=2Al2O3+3Ti ΔV=+11% ΔG=-417.3kJ (6)

3Mg+4Al2O3=3MgAl2O4+2Al ΔV=+17% ΔG=-159.4kJ (7)

3Mg+Al2O3=3MgO+2Al ΔG=-117.7kJ (8)

以上吉布斯自由能計(jì)算溫度均為850℃，采用HSC軟件計(jì)算。反應(yīng)(1)和(2)會(huì)分別造成熔體增Si和Fe，污染鋁合金，影響合金的質(zhì)量。反應(yīng)(8)消耗合金元素Mg。表面化學(xué)反應(yīng)會(huì)造成耐火材料結(jié)構(gòu)破壞、剝落和侵蝕，使襯材逐漸減薄。生成的單質(zhì)Si會(huì)使鋁熔液中Si含量增加，污染鋁液，導(dǎo)致鋁的熔點(diǎn)降低，流動(dòng)性增加，加速鋁合金熔液向耐火材料的滲透。從鋁硅合金相圖(如圖1)可以看出，當(dāng)鋁中Si含量為11.7%時(shí)，鋁的熔點(diǎn)從660℃降到577℃。

02深層化學(xué)反應(yīng)

熔鋁爐工作溫度下，一些合金元素，如Mg(沸點(diǎn)1107℃)等高蒸汽壓元素容易沿耐火材料氣孔深入到材料內(nèi)部，并發(fā)生如下反應(yīng)：

2Mg(g)+O2=2MgO (9)

3Mg(g)+Al2O3=3MgO+2Al (10)

850℃時(shí)，反應(yīng)(9)和(10)吉布斯自由能變化分別為-1004.4kJ和-117.7kJ。會(huì)造成耐火材料體積膨脹和疏松，產(chǎn)生裂紋，進(jìn)一步加速鋁合金熔液對(duì)耐火材料的滲透和侵蝕。

03物理滲透熔鋁爐的工作方式多為間歇式。低粘度的鋁合金熔體滲入到耐火材料的孔隙后，隨著爐料的加熱、保溫、傾倒及爐襯循環(huán)使用遭遇急冷急熱，耐火材料不斷膨脹和收縮，最終將導(dǎo)致耐火材料剝落。

04機(jī)械損壞

熔鋁爐工作時(shí)，空氣、鋁合金熔液以及耐火材料形成的氣-液-固三相界面處容易生成Al2O3，形成剛玉瘤。剛玉瘤與爐襯結(jié)合緊密，采用機(jī)械、熔劑或人工等方法清除時(shí)，會(huì)對(duì)爐襯結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞。

防護(hù)措施

針對(duì)上述爐襯損毀的原因，可以采取針對(duì)性的措施保護(hù)爐襯：為減少金屬熔液與爐襯表面的化學(xué)反應(yīng)，可選擇SiO2、Fe2O3含量低，Al2O3含量高的高鋁質(zhì)或剛玉質(zhì)耐火材料;另外可以提高原料的燒結(jié)程度，降低爐襯表面的顯氣孔率，減少熔液的滲入通道;為減弱深層化學(xué)反應(yīng)和物理滲透，可采用孔隙率低、孔徑小的致密耐火材料;為減弱機(jī)械損壞，可提高爐襯自身強(qiáng)度、降低材料與熔體的潤(rùn)濕性。

研究表明：使用澆注料整體澆注的爐襯，整體性好，不會(huì)產(chǎn)生定型制品中出現(xiàn)的磚縫，可有效減少鋁熔液的滲透通道，使用壽命也大大延長(zhǎng);與鋁熔液接觸的部位采用剛玉質(zhì)澆注料，與鋁熔液不潤(rùn)濕，清理爐渣方便，大大減小了由于清爐對(duì)爐襯造成的機(jī)械損壞;爐門口的澆注料中添加有鋼纖維，可提高材料的強(qiáng)度、韌性以及熱震穩(wěn)定性強(qiáng)，有效減少澆注料剝落。