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炉用耐火材料

发布日期:2020-04-13 作者: 点击:

在长期的工作过程中,熔铝炉的内衬材料发生侵蚀失效,熔铝炉中耐火材料的毁坏主要为铝熔融液对耐火材料的渗透和渗透进耐火材料的铝液与耐火材料基体发生反应。

对耐火材料的渗透主要是熔铝炉耐火材料在使用过程中,熔融铝液可以沿其气孔与裂纹等毛细管道深入到耐火材料内部并与之发生反应,形成与原来耐火材料结构和性质不同的变质层,在生产变质层过程中有体积变化在耐火材料内部产生应力,且变质层与耐火材料基体本身的热膨胀系数不同。而熔铝炉温不恒定,炉子不断重复“加料-熔化-出炉”的作业过程,熔铝炉炉衬承受很大的热应力,在投料过程中,耐火材料表面温度会突然下降使耐火材料表面有轻微的收缩,耐火材料内部将产生一个应力面,变质层开裂剥落露出与铝和铝合金熔融液接触的新表面,而这层新表面比之前有更大的裂纹,铝和铝合金熔融液往耐火材料内部渗透得更加深,变质层更加厚,结构剥落也更加厚,如此造成一个恶性循环过程加速了耐火材料的损毁,而且熔融铝液在熔铝炉中翻腾,对炉衬有一个很强的冲刷,这祥加速了炉衬材料的剥落。铝和铝合金熔融液深入耐火材料内部深度D可以由以下公式来计算:


式中:γ为耐火材料孔隙半径;σ为熔融铝液的表面张力;θ为铝熔融液在耐火材料上的润湿角,当接触时为θ>90℃不浸润,cos<0,铝熔融液不能深入到耐到耐火材料中;η为熔体粘度;τ为时间。耐火可以看出,影响铝熔融液对耐火材料的渗透因素有耐火材料的孔隙半径、铝熔融液的表面张力、铝熔融液在耐火材料上的润湿角、铝铝熔融液的粘度和熔融时间。图1-1为铝在耐火材料中的润湿角。

耐火材料熔铝炉中虽然铝液的温度只有700~900℃,但在800~900℃之间铝熔融液对铝熔融液对耐火材料是浸润状态,且铝液在此温度区间粘度很低,在750℃时仅有0.104Pa·S,与20℃时水的粘度相当,很容易渗入到耐火材料内部。此外熔铝炉中还存在一定的铝蒸汽,特别是熔炼镁铝锌合金时镁、锌蒸气压还大很多,这些蒸气比熔融状液体更容易渗透进耐火材料内衬中。减少熔融铝液在耐火材料中的渗透可以通过减小耐火材料孔隙半径、在耐火材料中添加抗铝浸润的组元、降低熔铝温度、减少熔炼的时间。表1-2为Al-Mg-Zn蒸气压比较。目前用得较多的抗铝浸润组元有BaSO4、CaF2、SrSO4、Alf3、SiC、Si3N4、SiON2、AlN、B4C。



熔融铝液与耐火材料基体反应主要是在耐火材料基体中含有SiO2、MgO、FeO等氧化物,这些氧化物极易与熔体铝发生氧化还原反应,特别是当熔炼的为合金成分如镁铝合金、镁锌合金等,氧化还原反应将更加强烈,这些反应都伴随着大量的能量释放,产生局部额外过热并伴随着体积的变化;


表2列出常见耐火材料的氧化物和熔融铝液之间反应的Gibbs自由能。由表可以看出,熔融铝液在700℃时与耐火材料中常见组分有很大的反应趋势。这也为寻求在熔铝炉中能长期工作的耐火材料提供了依据。

表2 常见耐火材料的氧化物和熔融铝液之间反应Gibbs自由能


图2为熔铝炉中熔融铝液接触耐火材料腐蚀损耗机制图,熔铝炉中耐火材料铝溶液能够渗透到耐火材料的影响层和未改变的耐火材料层,在影响层中,铝熔融液渗透在里面,与耐火材料基体发生一系列的氧化还原反应生产刚玉造成耐火材料的损耗,特别提出,最严重的反应发生在熔融铝液、耐火材料和空气接触的三相点,在这个位置蘑菇状刚玉结构贴着耐火材料生长,这将在耐火材料表面产生很大的应力并引起耐火材料的裂开造成表面通往内部的裂纹。如果在其空炉或者氩气气氛炉中,这种蘑菇状刚玉是不会出现的,但是在实际操作过程中这是不可能实现的。这个蘑菇状刚玉结构中除了氧化铝和铝之外还含有少量的硅,硅是熔融铝液与耐火材料含硅的基体发生氧化还原反应生成的,通过扩散进入到蘑菇状结构中,所以蘑菇状结构内部的硅溶度会大于与耐火材料接触面临近部位的浓度。如果熔铝炉熔炼的是镁合金,在蘑菇状结构将会出现氧化镁-氧化铝成分。蘑菇状结构强度很高,非常难以去除。除损伤炉体本身外还减少了炉子的内部体积。减少熔融铝液与耐火材料基体的反应可以通过调整耐火材料的组成成分,降低组元中SiO2、Fe2O3、ZrSiO4、ZrO2等的含量。


炉用耐火材料.jpg

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