熔煉爐內(nèi)襯耐火材料損壞因素
鋁合金熔化爐熔池剛玉瘤的成因與對(duì)策進(jìn)行了研究,他們認(rèn)為爐襯破損主要是鋁與爐襯之間的侵蝕反應(yīng)所致, 即主要成分為Al2O3、Mg Al2O4、Al及少量Si組成的剛玉礦化物 (俗稱剛玉瘤) 的形成, 引起了耐火材料內(nèi)襯的體積膨脹, 并不斷向爐襯內(nèi)部擴(kuò)展, 使?fàn)t襯裂紋加劇, 造成惡性循環(huán)。嚴(yán)重時(shí)造成熔煉爐爐體鋼結(jié)構(gòu)變形, 加速爐子報(bào)廢。鋁熔煉爐的使用溫度是700~800℃, 750℃時(shí)鋁的粘度為0.104Pa⋅s, 與20℃時(shí)水的粘度 (0.1 Pa⋅s) 很接近, 具有很強(qiáng)的滲透性。另外, 鋁是很活潑的金屬, 容易與爐襯中的SiO2等成分發(fā)生反應(yīng), 造成耐火材料損毀。于是改企業(yè)的專家又進(jìn)一步對(duì)鋁熔煉爐用耐火材料的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了分析研究,發(fā)現(xiàn)Na、K、Si等進(jìn)入鋁液, 會(huì)降低鋁液的熔點(diǎn)與粘度, 從而促使鋁液向耐火材料滲透, 對(duì)耐火材料內(nèi)襯造成損害。
利用新型耐火材料提高鋁熔煉爐使用壽命, 并從渣腐蝕作用、溫差劇烈變化作用、氣相沉積作用以及機(jī)械沖擊與磨損作用等方面分析了對(duì)爐襯壽命的影響。
研究?jī)?nèi)容從鋁合金熔煉過(guò)程中所使用的熔劑和添加劑入手, 分析探討其對(duì)鋁熔煉爐耐火材料內(nèi)襯使用壽命的影響。具體的研究結(jié)果如下：
一、添加劑和熔劑
目前, 在鋁合金熔鑄生產(chǎn)中, 廣泛使用合金添加劑、覆蓋劑和清渣劑來(lái)對(duì)鋁熔體進(jìn)行合金化、覆蓋防氧化并防吸氫, 以及進(jìn)行熔池清渣處理。
合金添加劑通常由助熔劑、發(fā)熱劑、引爆劑和防潮劑構(gòu)成, 其中, 發(fā)熱劑為鋁粉。
合金添加劑的唯一目的就是在鋁合金熔煉過(guò)程中, 通過(guò)加入合金添加劑調(diào)整合金的化學(xué)成分, 對(duì)鋁熔體進(jìn)行合金化處理, 使熔體滿足所需要的成分要求。
熔劑的類型比較多, 通常分為覆蓋劑、打渣劑、精煉劑和清爐劑, 它們的組元為堿金屬、堿土金屬的氯鹽、氟鹽及其復(fù)鹽。按照其使用目的的不同, 熔劑可分為除氫脫氣熔劑、防氧化覆蓋劑、除氧化物等夾雜物的凈化劑、發(fā)熱性除渣劑和清爐用熔劑等。
二、金屬添加劑和熔劑對(duì)內(nèi)襯壽命的影響
金屬添加劑是由金屬粉末、助溶劑、發(fā)熱劑、引爆劑和防潮劑按一定比例配比均勻壓制而成。助溶劑的作用是提高添加劑在鋁熔體中的溶解速度和實(shí)收率。因?yàn)橹軇┍旧淼娜刍瘻囟缺容^低, 當(dāng)它與發(fā)熱劑及鋁熔體中諸多物質(zhì) (包括添加劑的其他成分) 反應(yīng), 產(chǎn)生局部集中放熱, 引燃鋁熔體周圍氧化鋁燃燒, 鋁渣溫度可達(dá)2204℃。實(shí)際生產(chǎn)中, 在向熔池中投放金屬添加劑時(shí), 不可避免地會(huì)將金屬添加劑投放在爐墻附近, 2204℃的高溫必然會(huì)對(duì)熔池耐火材料內(nèi)襯造成損害, 因?yàn)橥ǔｄX熔煉爐用耐火材料的耐火度低于1800℃。
此外, 目前金屬添加劑中所使用的助熔劑主要是堿金屬和堿土金屬的氯鹽、氟鹽、碳酸鹽、硝酸鹽或硫酸鹽。但它們的共同點(diǎn)是均含有堿金屬和堿土金屬, 如Na C、KCl、Mg Cl2、Zn Cl2、Na F、KF、Mg F2、Na Al3F6、Na2CO3、K2CO3、Na2SO4、K2SO4、Na2NO3和K2CO3, 等等。它們幾乎無(wú)一例外地都含有堿金屬和堿土金屬Na、K、Mg。
各種熔劑中的成分與金屬添加劑中助熔劑基本相同, 也是幾乎無(wú)一例外地含有堿金屬和堿土金屬Na、K、Mg。
正是由于這些堿金屬和堿土金屬的存在, 會(huì)對(duì)熔鋁爐耐火材料內(nèi)襯造成嚴(yán)重的侵蝕。以下將重點(diǎn)分析堿金屬和堿土金屬元素對(duì)熔鋁爐耐火材料內(nèi)襯的腐蝕機(jī)理。
2.1 堿土金屬M(fèi)g對(duì)耐火材料內(nèi)襯的侵蝕
熔劑與合金中的Mg組元是熔煉爐熔池中堿土金屬M(fèi)g的主要來(lái)源。Mg的化學(xué)活性很高, 對(duì)耐火材料中的Si O2、Fe2O3等有很強(qiáng)的還原能力。
此外, Mg有很高的蒸汽壓, 使蒸汽比Al更容易沿著耐火材料的微觀通道滲入耐火材料, 并與內(nèi)襯中的組分Al2O3、Si O2和Fe2O3發(fā)生反應(yīng), 侵蝕爐襯。此外, Mg元素從爐襯中置換出的Fe和Si也將會(huì)對(duì)合金熔體造成污染, 影響合金化學(xué)成分的準(zhǔn)確性。
由此可以看出, 在熔煉鋁合金時(shí), 將會(huì)對(duì)爐襯產(chǎn)生很嚴(yán)重的侵蝕。
2.2 堿金屬Na和K對(duì)耐火材料內(nèi)襯的侵蝕
Na和K的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面:電解鋁液、重熔鋁錠以及鋁熔體熔煉、精煉和覆蓋過(guò)程中所使用的精煉劑、覆蓋劑和清渣劑等。據(jù)報(bào)道, 重熔鋁錠中的Na含量約為30×10-6, 電解鋁液中的Na含量比重熔鋁錠高, 通常在40×10-6~50×10-6范圍內(nèi)。合金添加劑中的助熔劑、鋁合金精煉劑、覆蓋劑及打渣劑的主要成分均為堿金屬和堿土金屬的氯鹽、氟鹽 (Na Cl、KCl、Na F、KF, 等) , 也是Na和K的重要來(lái)源。它們都會(huì)對(duì)耐火材料壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
Na和K的沸點(diǎn)極低, 分別為882.9℃和760℃。在鋁合金熔煉過(guò)程中, 熔鋁爐的爐膛工作溫度高達(dá)800~1000℃, 最高可達(dá)1200℃。在這個(gè)溫度范圍, 溶解于鋁熔體中的堿金屬和堿土金屬Na、K、Mg部分蒸發(fā)形成Mg、Na、K蒸汽。如此, 在熔煉爐爐膛內(nèi)就會(huì)存在許多CO2、CO、Na (氣) 、K (氣) 和Mg (氣) , 這些氣體和蒸汽通過(guò)耐火材料的微觀通道向其內(nèi)部滲透, 并與耐火材料組織產(chǎn)生反應(yīng), 形成新的膨脹相, 如鉀霞石 (含鉀) 和霞石 (含鈉) , 兩者都會(huì)對(duì)耐火材料結(jié)構(gòu)造成損害, 加速耐火材料內(nèi)襯的失效。
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