原创 熔铝炉用耐火材料各种蚀损的机理研究

再生铝熔炼用炉子内衬耐火材料在使用过程中除了遭受铝水的渗透和化学腐蚀作用之外还经受炼铝熔池区的高温作用和在清洗炉子时因机械撞击而产生的机械磨损,以及热冲击作用。耐火材料受到这些作用后,其使用寿命可明显降低。众所周知,化学腐蚀性可降低耐火材料的机械强度,而热冲击和机械冲击会加速耐火材料的磨损,进而出现裂纹和微裂纹。

通常采用标准的试验方法检测炼铝炉的使用寿命。目前对炼铝炉用耐火材料的各种蚀损机理研究得还很甚少。本文研究者利用同一种试样进行了抗腐蚀性和抗机械磨损性的试验研究,其综合试验研究的结果在某些著作中进行了阐述。

抗腐蚀性和抗侵蚀性综合试验

本文研究者创立了耐火材料抗腐蚀性和抗侵蚀性的新的试验方法在进行试验时选取了一些试样。在尺寸为114mmx114mmx100mm的试样，上钻出直径为60mm、深度为50mm的孔洞,然后将这些试样加热至850℃,在该温度下往孔洞里倒入300g熔融AlMg5合金,同时用同类材质的耐火板盖住。保持72h后将孔洞里的物质排空,并在炉内慢速冷却，以避免热冲击的发生。然后再继续进行钻孔,一直钻到试样的底部，使底部能与铝水接触上。抗热冲蚀性试验是在850℃下于钻出的孔洞的底部采用颗粒冲击的方法完成的。在高温下采用颗粒冲击的方法进行抗热冲蚀性试验,此种试验方法与耐火材料科学研究院早些制定的DINENISO16282标准方法类似。

抗腐蚀性和抗热冲击性综合试验

本文研究者还制定了耐火材料在腐蚀和热冲击共同作用下的试验方法。将圆柱形试样浸入到铝水中在感应炉内于850℃试样在上述条件下热冲击的作用，将试样定时地从铝水中取出，并冷却至300℃以下。将试样反复浸入到铝水中，由于热态铝水将大量的热量传递给试样,试样便受到强烈的热冲击。上述过程反复进行10次，并对其结果进行比较。表1列出了试样的化学成分和性能,这些性能包括:试样的耐压强度、体积密度和开口气孔率。

表1 试样的化学成分(%)和性能

在试验时采用2种定型铝矾土耐火材料(试样A和B)和4种不定形耐火材料(试样C、D、E、F)。定型试样制成团块状,而不定形试样(浇注料)在850℃下历时5h烧制而成。

抗腐蚀性和抗侵蚀性综合试验讨论结果

图1 在850℃下进行抗腐蚀性和抗侵蚀性综合试验后试块A和试块B的状况

图1示出了在850℃下进行抗腐蚀性和抗侵蚀性综合试验后试样的照片,每个试样拍摄3张。在试块A和试块B最左边的照片上显示出了遭受腐蚀的孔洞的截面,在截面上可以看出试样受到渗透和氧化的状况;在中间的照片上显示出了在850℃下试样预先遭受腐蚀和侵蚀的孔洞底部的状况;在右边的照片上显示出了在850℃下试样遭受侵蚀，但没有受到腐蚀的状况。

试块A和B显示出了受到腐蚀后又遭受铝水渗透的状况，并且试块B渗透得较少，其原因是试块B的开口气孔率低及Al₂O₃/SiO₂含量比较高所致。在850℃下发生渗透的试样受到侵蚀的程度较小,本文研究者认为这是因为渗透到试样内的铝水阻碍了高温侵蚀,并且试样内的冲击性颗粒的能量散射。但是,因渗透作用而使试块A和B的抗侵蚀性提高,这并不代表材料的质量较高。

在C~D浇注料试样中没有观察到因腐蚀而使铝水渗透的现象。在通常情况下,在850℃受到侵蚀的浇注料试样的耐用性比未受到侵蚀的浇注料试样(C、D、E)低,但浇注料试样D受到腐蚀后,其耐用性却提高。

抗腐蚀性和抗热冲击性综合试验讨论结果

图上1、5、10分别表示热循环冲击次数

图2~图7示出了遭受腐蚀和反复热冲击共同作用后试样的照片。在这些照片，上显示了用每种材料制成的试样在分别受到1次、5次和10次热冲击后的外观。在大多数情况下随着热冲击循环次数的增加，试样的颜色变得更暗些。在所有试样中铝水.渗透得不多。

电子显微镜研究的结果表明,变黑的试样和原始的试样之间没有差异。试样变黑的可能原因之一是由于SiO2还原成SiO,随后在循环冷却阶段发生如下反应:2SiO=2Si+O2。根据这个理由，可以解释含有少量SiO2的浇注料试样D经过10次热冲击后几乎不变黑的原因。而橙色和黄色组分发生褪色的可能原因是由于铁发生还原反应，即,Fe3+还原成Fe2+。经过10次热冲击后在试样的端部与铝水接触的区域发现损毁(图8和图9)。

图8　浇注料试样C损毁状况

由图8可以看出，在与铝水接触的区域耐火材料的基质变黑了。通过电子显微镜研究表明,这种情况是由于MgO沉积在耐火材料基质内并在与铝水接触的表面形成尖晶石所致;还发现在耐火材料的基质中有少量的铝水渗透。另外,由图9中看出,在浇注料试样D的端部有微裂纹扩展,但是铝水的渗透量不大。

图9　经过10次热冲击后在与铝水接触的区域浇注料试样D端部的损毁状况

由于反复热冲击的作用，在试样上出现了零星的裂纹,甚至网状裂纹，这些裂纹垂直于试样的长度方向。图10示出了裂纹的状态。大多数裂纹分布在试样的中心地带,而不在边缘。在与铝水接触的区域试样的热膨胀能弓|起在较冷的试样内部产生拉应力。但是，经过大一些的裂纹并没有发生铝水渗透,这可能是由于形成氧化物薄膜所致。

图10　经过10次热冲击后浇注料试样D产生裂纹的状态

为了获取炼铝炉用耐火材料耐用性方面有用的信息资料,在实验室条件下成功地进行了抗腐蚀性和抗侵蚀性及抗腐蚀性和抗热冲击性综合试验,并与标准的试验方法进行比较。通过试验成功地收集到了关于因受腐蚀和侵蚀的共同作用而使损坏材料体积变化的信息资料;同时还观察到了由于受腐蚀和与铝水接触时受到热冲击的作用而使试样变黑和形成裂纹的过程。为了更准确地模拟生产条件，这种综合试验每个阶段的参数都可以进行修正。

来源：《耐火与石灰》