铝和高纯度铝生产：对耐火材料提出了这些要求

铝在有色金属中占第一位，远远超过其他有色金属，铝工业用耐火材料的消耗量也比铜、铅、锌消耗的耐火材料总量还高。因此，对铝工业用耐火材料进行研究和开发是我们研究和开发耐火材料工作中的重要内容之一。

对于铝工业用耐火材料，本文仅就铝及铝合金熔解炉用新型耐火材料和高纯铝生产用耐火材料及其有关的问题分述于下。

一、铝熔炼工艺

铝工业包括3个不同的生产领域，即粗炼、精炼和再熔，如图4-27~图4-29所示。粗炼部分用铝矶土生产金属铝，其工艺中包括若干步骤，如图4-27所示。铝工业的精炼部分同粗炼部分一样，将铝精炼成特定成分的合金。其原料通常为废铝。把废铝混合料以冷态加入反射炉熔化，调整成分至目标要求，其流程如图4-28所示。再熔指使用熔炼铝生产诸如薄板、板、铝丝及铸件，但不包括铝锭等制品的工艺。图4-29示出了再熔的工业流程。再熔厂通常是粗炼厂和精炼厂的用户，同时也使用自己生产过程中回收的废铝。

铝熔炼工艺的3个方面都存在耐火材料的使用问题，但影响耐火材料寿命的因素则存在一些差异。

二、铝熔解炉用耐火材料

常用铝和铝合金熔化炉（简称熔解炉，下同）主要有反射炉、坩埚炉和感应炉。我国目前铝加工行业用的熔解炉主要是反射炉，因其具有容量大、热效率高、操作容易等优点。

随着铝熔解炉的不断大型化和强化冶炼的实施，对内衬耐火材料提出了更加苛刻的要求，因而迫切需要对熔解炉用耐火材料的性能进行改进。以抑制材料的损毁和对铝液的污染。

虽然铝熔解炉的操作温度只有800〜1000℃，比钢铁冶炼的温度低得多，但因金属铝以及铝中合金元素非常活泼，它们不仅能极容易地同耐火材料成分反应生成相应的氧化物，而且金属铝和铝合金溶液能极容易地渗透进入耐火材料结构中的气孔内，产生特殊的变质层，在温度变动的条件下产生结构剥落，造成耐火材料过快损毁。

铝熔解炉用耐火材料损毁的原因有：

(1)金属铝熔点低（约750℃）、黏度小（仅0.104Pa·s)，同20℃水的黏度（0.10Pa·s)相当。这表明金属铝液和熔融铝合金容易向耐火材料结构中的气孔内渗透，会导致耐火材料的结构剥落，加快其损毁。

(2)金属铝和铝合金元素的化学活性高，会导致耐火材料中的SiO2、R2O、Fe2O3、TiO2被还原：

(3)—些合金元素特别是Mg等高蒸气压元素容易渗入耐火材料气孔内并发生反应：

由于伴随体积增加而导致耐火材料疏松和破坏。

(4)清理炉衬表面结瘤和沉积杂物而导致耐火内衬的机械损坏。

其中，铝液和铝合金溶液的渗透导致耐火材料结构剥落是铝熔解炉内耐火材料过快损坏的主要原因。当铝液或熔融铝合金渗透进入耐火材料结构中的气孔内以后，不仅使之质量受到影响，而且导致炉衬变质，使被渗透区域变得非常疏松而很容易被冲击流所腐蚀，这就会导致耐火材料未被渗透部分进一步受到化学侵蚀。

在没有机械作用清除变化了的耐火材料（被渗透部分）的情况下，便会由于热温度梯度，而使化学侵蚀变慢并停止。但由于原质层和变质层的膨胀系数和弹性模量等不同，在温度变动的情况下，在热应力的作用下就会产生同加热面平行的裂纹。在多次热循环中，便会导致结构剥落的发生，这种结构剥落即可显著地加快耐火材料的损毁。

从材质设计方面考虑，向配料中添加能有效限制渗透的组分，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结构剥落的性能。

通过对刚玉质耐火材料颗粒进行优化以及适量配入非氧化物、选择优质结合剂、采用高压成形，可获得性能较佳的复合刚玉质耐火材料（制品）。这些高性能复合刚玉质制品用于熔解炉时，可限制铝液渗透，减少结构剥落损毁，提高耐火材料使用寿命。

现在已经得知，通过对耐火材料颗粒分布进行优化以及微粉的应用，制造平均气孔径不超过0.5μm(不超过铝液渗透的临界气孔直径）以及透气度低的耐火材料便能限制铝液渗透。

根据所熔解的产品和操作条件，认为熔解炉内衬耐火材料可选用SiO2-Al2O3质耐火材料。考虑到金属铝和铝合金中的合金元素对SiO2有很强的还原能力,因而应选用Al2O3含量高的SiO2-Al2O3质耐火材料（如铝矾土质耐火材料和刚玉质耐火材料）。在组织结构上，应制造透气度低、气孔直径小于0.5um的高铝质耐火材料，即能与熔解炉的使用条件相适应。

三、高纯铝熔炼炉用耐火材料

典型的铝冶炼炉里衬用耐火材料，通常都选用高铝质耐火材料、Si3N4结合SiC质耐火材料砌筑。当采用高铝质耐火材料时,由于该耐火材料中的SiO2和杂质Fe2O3等成分会被还原成Si和Fe而熔入金属铝中，结果则难以获得高纯度金属铝。当采用Si3N4结合SiC质耐火材料时，虽然可以降低不纯物熔入金属铝内，而获得较高纯度的金属铝，但由于Si3N4结合SiC质耐火材料中含有Si成分，因而仍然存在金属铝从耐火材料中拾取Si的危险。

因此，要制取极高纯度铝，则需要一种不会引入杂质的耐火材料。根据化学原理，在已有的耐火材料产品中，认为以制取金属铝相同的原料——Al2O3作为原料所生产的刚玉质耐火材料即能满足上述要求。这种刚玉质耐火材料主要以烧结氧化铝或板状氧化铝为原料并配入适当数量的氧化铝微粉制成，其技术关键是需要采用纯净基质，实现氧化铝的自洁结构，以获得高强度而又不会有杂质成分熔入金属铝中。

另外，由于铝厂在铝冶炼过程中，温度变化很大，所以用于铝冶炼炉的内衬耐火材料应具有在温度急变的情况下不剥落、抗热震性能好等特点。由此可见，一种具有不使金属铝受到杂质成分侵入，而又具有高抗热震性能的刚玉质耐火材料才是生产高纯度铝选用的重要耐火材料。这种刚玉质耐火材料中Al2O3含量大于94%,耐热震性高，其性能指标如表4-3所示。

当采用A砖（Al2O3含量为94%)作为冶炼99.99%Al的冶炼炉里衬时，发现制取的金属铝中杂质明显减少，而且比使用Si3N4结合SiC砖里衬杂质更少。进一步研究则证明，将94％Al2O3的刚玉砖砌筑的冶炼炉用于制取99.999%Al以及99.9999%Al都获得了成功。可见，这种通过增加基质，强化结合，组织致密的、A12O3含量大于94%的特种刚玉砖是生产高纯度金属铝用最佳耐火材料。