多年来, 许多研究人员和工厂技术人员对铝熔炼炉内衬破损机理进行了大量的研究、分析与探讨, 取得了大量成果。我们研究了铝合金熔化炉熔池刚玉瘤的成因与对策, 认为炉衬破损主要是铝与炉衬之间的侵蚀反应所致, 即主要成分为Al2O3、Mg Al2O4、Al及少量Si组成的刚玉矿化物 (俗称刚玉瘤) 的形成, 引起了耐火材料内衬的体积膨胀, 并不断向炉衬内部扩展, 使炉衬裂纹加剧, 造成恶性循环。严重时造成熔炼炉炉体钢结构变形, 加速炉子报废。铝熔炼炉的使用温度是700~800℃, 750℃时铝的粘度为0.104Pa⋅s, 与20℃时水的粘度 (0.1 Pa⋅s) 很接近, 具有很强的渗透性。另外, 铝是很活泼的金属, 容易与炉衬中的SiO2等成分发生反应, 造成耐火材料损毁。对铝熔炼炉用耐火材料的现状和发展进行了分析研究,发现Na、K、Si等进入铝液, 会降低铝液的熔点与粘度, 从而促使铝液向耐火材料渗透, 对耐火材料内衬造成损害。

利用新型耐火材料提高铝熔炼炉使用寿命, 并从渣腐蚀作用、温差剧烈变化作用、气相沉积作用以及机械冲击与磨损作用等方面分析了对炉衬寿命的影响。

本文从铝合金熔炼过程中所使用的熔剂和添加剂入手, 分析探讨其对铝熔炼炉耐火材料内衬使用寿命的影响。

1 添加剂和熔剂

目前, 在铝合金熔铸生产中, 广泛使用合金添加剂、覆盖剂和清渣剂来对铝熔体进行合金化、覆盖防氧化并防吸氢, 以及进行熔池清渣处理。

合金添加剂通常由助熔剂、发热剂、引爆剂和防潮剂构成, 其中, 发热剂为铝粉。

合金添加剂的唯一目的就是在铝合金熔炼过程中, 通过加入合金添加剂调整合金的化学成分, 对铝熔体进行合金化处理, 使熔体满足所需要的成分要求。

熔剂的类型比较多, 通常分为覆盖剂、打渣剂、精炼剂和清炉剂, 它们的组元为碱金属、碱土金属的氯盐、氟盐及其复盐。按照其使用目的的不同, 熔剂可分为除氢脱气熔剂、防氧化覆盖剂、除氧化物等夹杂物的净化剂、发热性除渣剂和清炉用熔剂等。

2 金属添加剂和熔剂对内衬寿命的影响

金属添加剂是由金属粉末、助溶剂、发热剂、引爆剂和防潮剂按一定比例配比均匀压制而成。助溶剂的作用是提高添加剂在铝熔体中的溶解速度和实收率。因为助溶剂本身的熔化温度比较低, 当它与发热剂及铝熔体中诸多物质 (包括添加剂的其他成分) 反应, 产生局部集中放热, 引燃铝熔体周围氧化铝燃烧, 铝渣温度可达2204℃。实际生产中, 在向熔池中投放金属添加剂时, 不可避免地会将金属添加剂投放在炉墙附近, 2204℃的高温必然会对熔池耐火材料内衬造成损害, 因为通常铝熔炼炉用耐火材料的耐火度低于1800℃。

此外, 目前金属添加剂中所使用的助熔剂主要是碱金属和碱土金属的氯盐、氟盐、碳酸盐、硝酸盐或硫酸盐。但它们的共同点是均含有碱金属和碱土金属, 如Na C、KCl、Mg Cl2、Zn Cl2、Na F、KF、Mg F2、Na Al3F6、Na2CO3、K2CO3、Na2SO4、K2SO4、Na2NO3和K2CO3, 等等。它们几乎无一例外地都含有碱金属和碱土金属Na、K、Mg。

各种熔剂中的成分与金属添加剂中助熔剂基本相同, 也是几乎无一例外地含有碱金属和碱土金属Na、K、Mg。

正是由于这些碱金属和碱土金属的存在, 会对熔铝炉耐火材料内衬造成严重的侵蚀。以下将重点分析碱金属和碱土金属元素对熔铝炉耐火材料内衬的腐蚀机理。

2.1 碱土金属Mg对耐火材料内衬的侵蚀

熔剂与合金中的Mg组元是熔炼炉熔池中碱土金属Mg的主要来源。Mg的化学活性很高, 对耐火材料中的Si O2、Fe2O3等有很强的还原能力, 可以通过以下反应形成对内衬的侵蚀:

此外, Mg有很高的蒸汽压, 使蒸汽比Al更容易沿着耐火材料的微观通道渗入耐火材料, 并与内衬中的组分Al2O3、Si O2和Fe2O3发生反应, 侵蚀炉衬。此外, Mg元素从炉衬中置换出的Fe和Si也将会对合金熔体造成污染, 影响合金化学成分的准确性。

由此可以看出, 在熔炼铝合金时, 将会对炉衬产生很严重的侵蚀。

2.2 碱金属Na和K对耐火材料内衬的侵蚀

Na和K的来源主要有以下几个方面:电解铝液、重熔铝锭以及铝熔体熔炼、精炼和覆盖过程中所使用的精炼剂、覆盖剂和清渣剂等。据报道, 重熔铝锭中的Na含量约为30×10-6, 电解铝液中的Na含量比重熔铝锭高, 通常在40×10-6~50×10-6范围内。合金添加剂中的助熔剂、铝合金精炼剂、覆盖剂及打渣剂的主要成分均为碱金属和碱土金属的氯盐、氟盐 (Na Cl、KCl、Na F、KF, 等) , 也是Na和K的重要来源。它们都会对耐火材料寿命产生严重影响。

Na和K的沸点极低, 分别为882.9℃和760℃。在铝合金熔炼过程中, 熔铝炉的炉膛工作温度高达800~1000℃, 最高可达1200℃。在这个温度范围, 溶解于铝熔体中的碱金属和碱土金属Na、K、Mg部分蒸发形成Mg、Na、K蒸汽。如此, 在熔炼炉炉膛内就会存在许多CO2、CO、Na (气) 、K (气) 和Mg (气) , 这些气体和蒸汽通过耐火材料的微观通道向其内部渗透, 并与耐火材料组织产生反应, 形成新的膨胀相, 如钾霞石 (含钾) 和霞石 (含钠) , 两者都会对耐火材料结构造成损害, 加速耐火材料内衬的失效。具体反应如下:

通过以上几点分析，我们可以看出，碱金属和碱土金属对熔炼炉耐火材料内衬的侵蚀最大，因此，在实际生产过程中，我们应考虑应用新技术将熔池内碱金属和碱土金属的摄入量减小到最低程度。