有色冶金——炼铝用耐火材料

在铝冶炼中，回转窑、电解槽和熔炼炉等设备都需要特定的耐火材料来抵御高温、化学侵蚀和机械冲击等因素。例如，在回转窑中，使用高铝砖和镁铬砖作为主要的耐火材料，而在电解槽中，则需要选用具有良好抗氧化功能的材料，如氮化硅结合的碳化硅砖。对于熔炼炉而言，需要考虑抗铝液及镁蒸气侵蚀、抗磨损和抗热冲击等特性，因此选择耐火材料时要综合考虑这些因素。

随着铝工业的发展和设备技术的不断进步，耐火材料也在不断创新和改进，以适应更高效、更环保的生产需求。

有色金属冶炼主要包括几个方面：铝的冶炼、铜的冶炼、铅的冶炼、锌的冶炼、镍的冶炼、金和银，我们将逐一介绍这些有色金属冶炼所需的耐火材料，并结合我公司的产品进行详细介绍。

在全球有色金属生产中，铝的年产量远远超过其他有色金属。铝工业每年消耗的耐火材料比铜、铅、锌冶炼消耗的耐火材料总量还要大得多。金属铝的生产方式采用两步固定法：首先，湿法从铝土矿中制取氧化铝；其次，以工业氧化铝为原料，采用熔盐电解法制造金属铝。在生产过程中使用的高温窑炉有回转窑、熔盐电解槽、熔铝炉等。

工业炉内的铝耐火材料会消耗很多。这是由于制取Al2O3时，物料中的碱性物质会严重侵蚀回转窑里的耐火材料。在铝熔炼过程中，金属铝即使在较低温度下也有很强的渗透能力。一旦渗入砖块中，它会与SiO2反应，导致Si元素被还原，破坏了耐火材料的结构，导致炉衬产生变质层，变得疏松、剥落并损坏。反应方程式为：3SiO2 + 4A1 —2A12O3 + 3SiO2。

因此，不能把含有SiO2的耐火材料用作金属铝熔炼设备的建炉材料。一般来说，用于铝工业炉的耐火材料除了高铝砖以外，通常会采用碳质制品。

氧化铝生产中使用耐火材料的回转窑

当前，我国生产氧化铝时，主要采用烧结法和联合法这两种方法，这主要是因为原料的供应。对于铝土矿的处理过程，通常包括干燥和嫩烧，氢氧化铝的焙烧等环节，而多数工厂使用回转窑来进行这些工艺。近年来，虽然引进了流态化焙烧设备并普及使用，但是在一些老厂中，回转窑仍然占据相当大比例。

旋转窑是用于煅烧氧化铝熟料的窑炉。在氧化铝生产中，首先将铝土、纯碱和石灰按比例配制后装入旋转窑中，经过1200~1300℃的高温烧制后出炉，再经适当处理制成氢氧化铝和母液；将氢氧化铝放入旋转窑中，在1200℃的高温下即可完成煅烧。旋转窑内的煅烧过程是这样的：高温火焰和物料在炉内反向运动。含水40%的碱石灰铝土原料浆或含水12% ~ 18%的氢氧化铝由窑尾加入，经过低温干燥脱水、加热、高温煅烧后，从窑头卸料，高温气体则由窑头向窑尾流动。因此，窑内分为预热区和高温煅烧区。为了避免在加热和煅烧过程中出现浆料粘结窑衬并增强传热过程，还在耐火材料砖之间设置链条，在旋转运动中不断击打物料和衬砖，影响了窑衬的使用寿命。

氧化铝的生产中使用的旋转窑是由焊接的钢板筒体制成，内部覆盖耐火材料。这种耐火材料处于恶劣的工作环境下，工作条件非常苛刻。它需要具备以下几个特性：对碱侵蚀有很强的抗性；能够长时间在1200~1300℃的高温下工作，不会损坏；可以承受动载荷的冲击；能够抵抗炉料的侵蚀；可以抵御高温气流的冲刷。旋转窑所使用的耐火材料主要是高铝砖和镁铬砖，而低温干燥窑则使用黏土砖作为内衬。

氧化铝生产用的旋转窑耐火材料详见表1。

目前，铝工业广泛使用不定形耐火材料，受到高温磨损和热震应力的影响，回转窑的窑口很容易发生变形和损坏；在氧化铝熟料窑的过渡带，环境温度在400~1000℃之间，受到碱性腐蚀和机械损坏（震动、歪曲）的严重影响，内衬经常会脱落。钢纤维增强浇注料也被应用在回转窑的预热带、窑口、窑尾和冷却机等部位。

氢氧化铝焙烧是生产氧化铝末尾的一道工序，主要目的是除去氢氧化铝滤饼中的水分和结晶水，同时将一部分β型氧化铝转化为α型氧化铝。目前国内大部分氧化铝厂商已经部分或完全开始采用引进的流态化焙烧设备。流态化焙烧设备包括流态化闪速焙烧炉、循环流化床焙烧炉、悬浮焙烧炉这三种类型，虽然所用的耐火材料略有不同，但普遍采用不定形耐火材料（如耐火塑料或浇注料），占总耐火材料用量的50%~70%。流态化闪速焙烧炉所用的不定形耐火材料全部从德国引进，而循环流化床焙烧炉的耐火材料则全部为国内生产。

氧化铝气体悬浮焙烧炉是一种专门用来煅烧氢氧化铝的设备，其工艺和自动化水平都非常高。焙烧过程在高温炉膛中进行，温度约为1200℃，并且在高速条件下完成。同时，由于处理的氧化铝物料硬度大，流动性好，对产物质量要求非常严格。任何杂质的混入都将直接影响产品的性能。因此，耐火材料须具备耐高温、耐磨损、高强度、良好的热稳定性、完好的整体性和强大的密封性等特点。

电解槽是生产铝的关键设备，通常是矩形钢壳，内部衬有炭砖。槽内悬挂着炭阳ji，底部是阴ji。用冰晶石、氟化铝、氟化锂等熔融物质作为电解质，将Al2O3在约970℃下熔化，在电场力的作用下电离，将复原的铝沉积到底部阴ji上，而阳ji放出氧与炭反应产生CO2或CO。电化学反应释放的热量保持了电解槽和铝处于熔化状态，定期从槽内排出铝液，并添加一定量的氧化铝和冰晶石；电解温度在900~1000℃之间。

电解槽通常使用炭块来构建底部作业层。然而，由于碳与钠发生反应而形成新的化合物，导致砖衬结构变松，强度下降，炭块出现裂缝。随后，电解质和铝液会沿着裂缝进入，在高温下铝与碳反应产生松散的碳化合物，从而使裂缝扩大，终导致电解槽槽壳变形和内衬严重侵蚀，缩短使用寿命。因此，为了解决这个问题，电解槽槽底的阴ji材料已经从原来的非晶状碳砖改为半石墨化碳砖或石墨化碳砖。

铝电解槽内侧墙衬的毁损主要是由于以下因素：在钢壳和砖衬之间引入空气导致材料氧化；在高温下受到冰晶石、氟化钠和铝液的侵蚀；由熔体流动带来的冲蚀；温度波动和热胀冷缩引起的热应力。

铝电解槽的侧壁一直使用无定形炭块和石墨炭块等资料，这类资料关键的缺点是抗氧化功能较差、强度较低。为了保证侧壁不氧化且具有较高的电阻，侧壁正朝着部分或全部采用SiC质料方向发展。理想的选择是氮化硅结合的碳化硅砖。这种砖具有优异的高温力学性能和良好的导热性，内侧容易形成冷凝渣；电阻率大，减少侧壁的电流损失；资料不容易氧化；不会与铝液、纯冰石等熔体发生反应；机械强度高，还可以大幅减少衬砖厚度，增加电解槽的容积，保持操作稳定。比如原本使用炭砖时，侧墙厚度大约在200~400mm之间，采用氮化硅结合的碳化硅砖后，侧墙厚度只需75mm。

底部槽的下方障碍层。

在铝电解生产中，钠和氟化钠的蒸汽和液态可以通过槽底的阴ji材料进入下面的隔热层。隔热层内添加了氟化钠后，提高了导热率，使电解槽的热效率下降，工作情况恶化，直至槽子破损。阴ji材料下面的"阻挡层"是一种夹在阴ji耐火材料和保温材料之间，能够阻止电解质渗透的材料层，同时具有良好的保温功能。一种新型的“阻挡层”材料干式防渗层目前得到了广泛应用。

使用耐火材料来制造炼钢炉和保温炉。

原始的铝块和废旧铝加热熔化以及合金化通常都使用固定或倾斜的反射式燃气或燃油燃烧炉，也可以选择电阻反射炉或感应式熔炉。虽然熔炼炉中铝液和铝合金的熔化温度只需700〜800℃，但铝及其合金中的镁、硅等都很活泼，容易与耐火材料中的某些成分发生反应，导致耐火材料受损。铝熔炼炉的腐蚀破坏机制主要是：铝液容易渗入耐火材料内部；

铝和其合金中的合金元素对某些氧化物具有强大的还原能力，并且造成的氧化还原反应具有剧烈的放热性质。其中，一些合金元素如镁具有较高的蒸汽压，其蒸气比铝液更容易渗透进耐火材料之中。进入这些耐火材料后，这些合金元素随即被氧化，终导致耐火材料腐蚀、结构松散和受损。

在大型铝熔炉的熔炼过程中，由于持续投放铝锭和合金，铝锭和合金块对熔炉口、炉底和炉壁造成的撞击和磨损非常严重；

铝锭和合金块的添加、铝液的排出、炉内温度的波动等因素可能导致耐火材料衬里发生热震损毁。

铝熔炼反射炉的隔热材料须具有抗进入铝液和镁蒸汽的性能，同时具有良好的抗磨损和抗热冲击特性。炉衬接触铝液的部分通常选择Al2O3含量为80%〜85%的高铝砖；当熔炼高纯金属铝时，会选择莫来石砖或刚玉砖。对于易受腐蚀和磨损的区域，如炉床斜坡和装入废旧铝材料处，使用氮化硅结合的碳化硅砖。对于受铝液冲刷严重的部分，如流铝槽和出铝口，一般会选择自结合或氮化硅结合的碳化硅砖，也可使用错英石砖作内衬。用于解决出铝口阻塞问题时，建议选择真空浇铸后的耐火纤维。而对于不与铝液接触的炉衬，一般会选用黏土砖、黏土性耐火浇注料或耐火可塑料。流铝槽的内衬通常采用碳化硅砖，也可以选择电熔泡沫硅砖进行预制。

目前，随着熔铝炉规模的扩大和强化锻炼的需要，高强度抗铝渗透浇注料因其优异的抗铝液和镁蒸气侵入功能，表现出良好的耐磨和耐热冲击性能等方面得到了广泛应用。