鋁在有色金屬中占第一位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他有色金屬，鋁工業(yè)用耐火材料的消耗量也比銅、鉛、鋅消耗的耐火材料總量還高。因此，對(duì)鋁工業(yè)用耐火材料進(jìn)行研究和開發(fā)是我們研究和開發(fā)耐火材料工作中的重要內(nèi)容之一。
對(duì)于鋁工業(yè)用耐火材料，本文僅就鋁及鋁合金熔解爐用新型耐火材料和高純鋁生產(chǎn)用耐火材料及其有關(guān)的問題分述于下。
一、鋁熔煉工藝
鋁工業(yè)包括3個(gè)不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，即粗煉、精煉和再熔，如圖4-27~圖4-29所示。粗煉部分用鋁磯土生產(chǎn)金屬鋁，其工藝中包括若干步驟。鋁工業(yè)的精煉部分同粗煉部分一樣，將鋁精煉成特定成分的合金。其原料通常為廢鋁。把廢鋁混合料以冷態(tài)加入反射爐熔化，調(diào)整成分至目標(biāo)要求。再熔指使用熔煉鋁生產(chǎn)諸如薄板、板、鋁絲及鑄件，但不包括鋁錠等制品的工藝。
鋁熔煉工藝的3個(gè)方面都存在耐火材料的使用問題，但影響耐火材料壽命的因素則存在一些差異。
二、鋁熔解爐用耐火材料
常用鋁和鋁合金熔化爐（簡(jiǎn)稱熔解爐，下同）主要有反射爐、坩堝爐和感應(yīng)爐。我國(guó)目前鋁加工行業(yè)用的熔解爐主要是反射爐，因其具有容量大、熱效率高、操作容易等優(yōu)點(diǎn)。
隨著鋁熔解爐的不斷大型化和強(qiáng)化冶煉的實(shí)施，對(duì)內(nèi)襯耐火材料提出了更加苛刻的要求，因而迫切需要對(duì)熔解爐用耐火材料的性能進(jìn)行改進(jìn)。以抑制材料的損毀和對(duì)鋁液的污染。
雖然鋁熔解爐的操作溫度只有800?1000℃，比鋼鐵冶煉的溫度低得多，但因金屬鋁以及鋁中合金元素非常活潑，它們不僅能極容易地同耐火材料成分反應(yīng)生成相應(yīng)的氧化物，而且金屬鋁和鋁合金溶液能極容易地滲透進(jìn)入耐火材料結(jié)構(gòu)中的氣孔內(nèi)，產(chǎn)生特殊的變質(zhì)層，在溫度變動(dòng)的條件下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)剝落，造成耐火材料過快損毀。
鋁熔解爐用耐火材料損毀的原因有：
(1)金屬鋁熔點(diǎn)低（約750℃）、黏度?。▋H0.104Pa?s)，同20℃水的黏度（0.10Pa?s)相當(dāng)。這表明金屬鋁液和熔融鋁合金容易向耐火材料結(jié)構(gòu)中的氣孔內(nèi)滲透，會(huì)導(dǎo)致耐火材料的結(jié)構(gòu)剝落，加快其損毀。
(2)金屬鋁和鋁合金元素的化學(xué)活性高，會(huì)導(dǎo)致耐火材料中的SiO2、R2O、Fe2O3、TiO2被還原。
(3)—些合金元素特別是Mg等高蒸氣壓元素容易滲入耐火材料氣孔內(nèi)并發(fā)生反應(yīng)。
由于伴隨體積增加而導(dǎo)致耐火材料疏松和破壞。
(4)清理爐襯表面結(jié)瘤和沉積雜物而導(dǎo)致耐火內(nèi)襯的機(jī)械損壞。
其中，鋁液和鋁合金溶液的滲透導(dǎo)致耐火材料結(jié)構(gòu)剝落是鋁熔解爐內(nèi)耐火材料過快損壞的主要原因。當(dāng)鋁液或熔融鋁合金滲透進(jìn)入耐火材料結(jié)構(gòu)中的氣孔內(nèi)以后，不僅使之質(zhì)量受到影響，而且導(dǎo)致爐襯變質(zhì)，使被滲透區(qū)域變得非常疏松而很容易被沖擊流所腐蝕，這就會(huì)導(dǎo)致耐火材料未被滲透部分進(jìn)一步受到化學(xué)侵蝕。
在沒有機(jī)械作用清除變化了的耐火材料（被滲透部分）的情況下，便會(huì)由于熱溫度梯度，而使化學(xué)侵蝕變慢并停止。但由于原質(zhì)層和變質(zhì)層的膨脹系數(shù)和彈性模量等不同，在溫度變動(dòng)的情況下，在熱應(yīng)力的作用下就會(huì)產(chǎn)生同加熱面平行的裂紋。在多次熱循環(huán)中，便會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剝落的發(fā)生，這種結(jié)構(gòu)剝落即可顯著地加快耐火材料的損毀。
從材質(zhì)設(shè)計(jì)方面考慮，向配料中添加能有效限制滲透的組分，如石墨、SiC、Si2ON2、Si3N4、B4C、BN、9A12O3?2B2O3和Al2O3?TiO2等便能大大提高耐火材料抗結(jié)構(gòu)剝落的性能。
通過對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料顆粒進(jìn)行優(yōu)化以及適量配入非氧化物、選擇優(yōu)質(zhì)結(jié)合劑、采用高壓成形，可獲得性能較佳的復(fù)合剛玉質(zhì)耐火材料（制品）。這些高性能復(fù)合剛玉質(zhì)制品用于熔解爐時(shí)，可限制鋁液滲透，減少結(jié)構(gòu)剝落損毀，提高耐火材料使用壽命。
現(xiàn)在已經(jīng)得知，通過對(duì)耐火材料顆粒分布進(jìn)行優(yōu)化以及微粉的應(yīng)用，制造平均氣孔徑不超過0.5μm(不超過鋁液滲透的臨界氣孔直徑）以及透氣度低的耐火材料便能限制鋁液滲透。
根據(jù)所熔解的產(chǎn)品和操作條件，認(rèn)為熔解爐內(nèi)襯耐火材料可選用SiO2-Al2O3質(zhì)耐火材料?？紤]到金屬鋁和鋁合金中的合金元素對(duì)SiO2有很強(qiáng)的還原能力,因而應(yīng)選用Al2O3含量高的SiO2-Al2O3質(zhì)耐火材料（如鋁礬土質(zhì)耐火材料和剛玉質(zhì)耐火材料）。在組織結(jié)構(gòu)上，應(yīng)制造透氣度低、氣孔直徑小于0.5um的高鋁質(zhì)耐火材料，即能與熔解爐的使用條件相適應(yīng)。
三、高純鋁熔煉爐用耐火材料
典型的鋁冶煉爐里襯用耐火材料，通常都選用高鋁質(zhì)耐火材料、Si3N4結(jié)合SiC質(zhì)耐火材料砌筑。當(dāng)采用高鋁質(zhì)耐火材料時(shí),由于該耐火材料中的SiO2和雜質(zhì)Fe2O3等成分會(huì)被還原成Si和Fe而熔入金屬鋁中，結(jié)果則難以獲得高純度金屬鋁。當(dāng)采用Si3N4結(jié)合SiC質(zhì)耐火材料時(shí)，雖然可以降低不純物熔入金屬鋁內(nèi)，而獲得較高純度的金屬鋁，但由于Si3N4結(jié)合SiC質(zhì)耐火材料中含有Si成分，因而仍然存在金屬鋁從耐火材料中拾取Si的危險(xiǎn)。
因此，要制取極高純度鋁，則需要一種不會(huì)引入雜質(zhì)的耐火材料。根據(jù)化學(xué)原理，在已有的耐火材料產(chǎn)品中，認(rèn)為以制取金屬鋁相同的原料——Al2O3作為原料所生產(chǎn)的剛玉質(zhì)耐火材料即能滿足上述要求。這種剛玉質(zhì)耐火材料主要以燒結(jié)氧化鋁或板狀氧化鋁為原料并配入適當(dāng)數(shù)量的氧化鋁微粉制成，其技術(shù)關(guān)鍵是需要采用純凈基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)氧化鋁的自潔結(jié)構(gòu)，以獲得高強(qiáng)度而又不會(huì)有雜質(zhì)成分熔入金屬鋁中。
另外，由于鋁廠在鋁冶煉過程中，溫度變化很大，所以用于鋁冶煉爐的內(nèi)襯耐火材料應(yīng)具有在溫度急變的情況下不剝落、抗熱震性能好等特點(diǎn)。由此可見，一種具有不使金屬鋁受到雜質(zhì)成分侵入，而又具有高抗熱震性能的剛玉質(zhì)耐火材料才是生產(chǎn)高純度鋁選用的重要耐火材料。
當(dāng)采用A磚（Al2O3含量為94%)作為冶煉99.99%Al的冶煉爐里襯時(shí)，發(fā)現(xiàn)制取的金屬鋁中雜質(zhì)明顯減少，而且比使用Si3N4結(jié)合SiC磚里襯雜質(zhì)更少。進(jìn)一步研究則證明，將94％Al2O3的剛玉磚砌筑的冶煉爐用于制取99.999%Al以及99.9999%Al都獲得了成功?？梢?，這種通過增加基質(zhì)，強(qiáng)化結(jié)合，組織致密的、A12O3含量大于94%的特種剛玉磚是生產(chǎn)高純度金屬鋁用最佳耐火材料。
對(duì)于鋁工業(yè)用耐火材料，本文僅就鋁及鋁合金熔解爐用新型耐火材料和高純鋁生產(chǎn)用耐火材料及其有關(guān)的問題分述于下。
一、鋁熔煉工藝
鋁工業(yè)包括3個(gè)不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，即粗煉、精煉和再熔，如圖4-27~圖4-29所示。粗煉部分用鋁磯土生產(chǎn)金屬鋁，其工藝中包括若干步驟。鋁工業(yè)的精煉部分同粗煉部分一樣，將鋁精煉成特定成分的合金。其原料通常為廢鋁。把廢鋁混合料以冷態(tài)加入反射爐熔化，調(diào)整成分至目標(biāo)要求。再熔指使用熔煉鋁生產(chǎn)諸如薄板、板、鋁絲及鑄件，但不包括鋁錠等制品的工藝。
鋁熔煉工藝的3個(gè)方面都存在耐火材料的使用問題，但影響耐火材料壽命的因素則存在一些差異。
二、鋁熔解爐用耐火材料
常用鋁和鋁合金熔化爐（簡(jiǎn)稱熔解爐，下同）主要有反射爐、坩堝爐和感應(yīng)爐。我國(guó)目前鋁加工行業(yè)用的熔解爐主要是反射爐，因其具有容量大、熱效率高、操作容易等優(yōu)點(diǎn)。
隨著鋁熔解爐的不斷大型化和強(qiáng)化冶煉的實(shí)施，對(duì)內(nèi)襯耐火材料提出了更加苛刻的要求，因而迫切需要對(duì)熔解爐用耐火材料的性能進(jìn)行改進(jìn)。以抑制材料的損毀和對(duì)鋁液的污染。
雖然鋁熔解爐的操作溫度只有800?1000℃，比鋼鐵冶煉的溫度低得多，但因金屬鋁以及鋁中合金元素非常活潑，它們不僅能極容易地同耐火材料成分反應(yīng)生成相應(yīng)的氧化物，而且金屬鋁和鋁合金溶液能極容易地滲透進(jìn)入耐火材料結(jié)構(gòu)中的氣孔內(nèi)，產(chǎn)生特殊的變質(zhì)層，在溫度變動(dòng)的條件下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)剝落，造成耐火材料過快損毀。
鋁熔解爐用耐火材料損毀的原因有：
(1)金屬鋁熔點(diǎn)低（約750℃）、黏度?。▋H0.104Pa?s)，同20℃水的黏度（0.10Pa?s)相當(dāng)。這表明金屬鋁液和熔融鋁合金容易向耐火材料結(jié)構(gòu)中的氣孔內(nèi)滲透，會(huì)導(dǎo)致耐火材料的結(jié)構(gòu)剝落，加快其損毀。
(2)金屬鋁和鋁合金元素的化學(xué)活性高，會(huì)導(dǎo)致耐火材料中的SiO2、R2O、Fe2O3、TiO2被還原。
(3)—些合金元素特別是Mg等高蒸氣壓元素容易滲入耐火材料氣孔內(nèi)并發(fā)生反應(yīng)。
由于伴隨體積增加而導(dǎo)致耐火材料疏松和破壞。
(4)清理爐襯表面結(jié)瘤和沉積雜物而導(dǎo)致耐火內(nèi)襯的機(jī)械損壞。
其中，鋁液和鋁合金溶液的滲透導(dǎo)致耐火材料結(jié)構(gòu)剝落是鋁熔解爐內(nèi)耐火材料過快損壞的主要原因。當(dāng)鋁液或熔融鋁合金滲透進(jìn)入耐火材料結(jié)構(gòu)中的氣孔內(nèi)以后，不僅使之質(zhì)量受到影響，而且導(dǎo)致爐襯變質(zhì)，使被滲透區(qū)域變得非常疏松而很容易被沖擊流所腐蝕，這就會(huì)導(dǎo)致耐火材料未被滲透部分進(jìn)一步受到化學(xué)侵蝕。
在沒有機(jī)械作用清除變化了的耐火材料（被滲透部分）的情況下，便會(huì)由于熱溫度梯度，而使化學(xué)侵蝕變慢并停止。但由于原質(zhì)層和變質(zhì)層的膨脹系數(shù)和彈性模量等不同，在溫度變動(dòng)的情況下，在熱應(yīng)力的作用下就會(huì)產(chǎn)生同加熱面平行的裂紋。在多次熱循環(huán)中，便會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剝落的發(fā)生，這種結(jié)構(gòu)剝落即可顯著地加快耐火材料的損毀。
從材質(zhì)設(shè)計(jì)方面考慮，向配料中添加能有效限制滲透的組分，如石墨、SiC、Si2ON2、Si3N4、B4C、BN、9A12O3?2B2O3和Al2O3?TiO2等便能大大提高耐火材料抗結(jié)構(gòu)剝落的性能。
通過對(duì)剛玉質(zhì)耐火材料顆粒進(jìn)行優(yōu)化以及適量配入非氧化物、選擇優(yōu)質(zhì)結(jié)合劑、采用高壓成形，可獲得性能較佳的復(fù)合剛玉質(zhì)耐火材料（制品）。這些高性能復(fù)合剛玉質(zhì)制品用于熔解爐時(shí)，可限制鋁液滲透，減少結(jié)構(gòu)剝落損毀，提高耐火材料使用壽命。
現(xiàn)在已經(jīng)得知，通過對(duì)耐火材料顆粒分布進(jìn)行優(yōu)化以及微粉的應(yīng)用，制造平均氣孔徑不超過0.5μm(不超過鋁液滲透的臨界氣孔直徑）以及透氣度低的耐火材料便能限制鋁液滲透。
根據(jù)所熔解的產(chǎn)品和操作條件，認(rèn)為熔解爐內(nèi)襯耐火材料可選用SiO2-Al2O3質(zhì)耐火材料?？紤]到金屬鋁和鋁合金中的合金元素對(duì)SiO2有很強(qiáng)的還原能力,因而應(yīng)選用Al2O3含量高的SiO2-Al2O3質(zhì)耐火材料（如鋁礬土質(zhì)耐火材料和剛玉質(zhì)耐火材料）。在組織結(jié)構(gòu)上，應(yīng)制造透氣度低、氣孔直徑小于0.5um的高鋁質(zhì)耐火材料，即能與熔解爐的使用條件相適應(yīng)。
三、高純鋁熔煉爐用耐火材料
典型的鋁冶煉爐里襯用耐火材料，通常都選用高鋁質(zhì)耐火材料、Si3N4結(jié)合SiC質(zhì)耐火材料砌筑。當(dāng)采用高鋁質(zhì)耐火材料時(shí),由于該耐火材料中的SiO2和雜質(zhì)Fe2O3等成分會(huì)被還原成Si和Fe而熔入金屬鋁中，結(jié)果則難以獲得高純度金屬鋁。當(dāng)采用Si3N4結(jié)合SiC質(zhì)耐火材料時(shí)，雖然可以降低不純物熔入金屬鋁內(nèi)，而獲得較高純度的金屬鋁，但由于Si3N4結(jié)合SiC質(zhì)耐火材料中含有Si成分，因而仍然存在金屬鋁從耐火材料中拾取Si的危險(xiǎn)。
因此，要制取極高純度鋁，則需要一種不會(huì)引入雜質(zhì)的耐火材料。根據(jù)化學(xué)原理，在已有的耐火材料產(chǎn)品中，認(rèn)為以制取金屬鋁相同的原料——Al2O3作為原料所生產(chǎn)的剛玉質(zhì)耐火材料即能滿足上述要求。這種剛玉質(zhì)耐火材料主要以燒結(jié)氧化鋁或板狀氧化鋁為原料并配入適當(dāng)數(shù)量的氧化鋁微粉制成，其技術(shù)關(guān)鍵是需要采用純凈基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)氧化鋁的自潔結(jié)構(gòu)，以獲得高強(qiáng)度而又不會(huì)有雜質(zhì)成分熔入金屬鋁中。
另外，由于鋁廠在鋁冶煉過程中，溫度變化很大，所以用于鋁冶煉爐的內(nèi)襯耐火材料應(yīng)具有在溫度急變的情況下不剝落、抗熱震性能好等特點(diǎn)。由此可見，一種具有不使金屬鋁受到雜質(zhì)成分侵入，而又具有高抗熱震性能的剛玉質(zhì)耐火材料才是生產(chǎn)高純度鋁選用的重要耐火材料。
當(dāng)采用A磚（Al2O3含量為94%)作為冶煉99.99%Al的冶煉爐里襯時(shí)，發(fā)現(xiàn)制取的金屬鋁中雜質(zhì)明顯減少，而且比使用Si3N4結(jié)合SiC磚里襯雜質(zhì)更少。進(jìn)一步研究則證明，將94％Al2O3的剛玉磚砌筑的冶煉爐用于制取99.999%Al以及99.9999%Al都獲得了成功?？梢?，這種通過增加基質(zhì)，強(qiáng)化結(jié)合，組織致密的、A12O3含量大于94%的特種剛玉磚是生產(chǎn)高純度金屬鋁用最佳耐火材料。
