01. 前沿概述

有色冶炼主要分为以下几大类：铝冶炼、铜冶炼、铅冶炼、锌冶炼、镍冶炼、金银冶炼。这里我们逐一介绍一下这些有色冶炼所用到的耐火材料。

原理图，示意图

在世界有色金属生产中，铝年产量居首位，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多得多。铝的生产方式为固定的两步生产法：第一步地炉冶炼废铝方法，用湿法由铝土矿生产氧化铝；第二步，以工业氧化铝为原料，用熔盐电解生产金属铝。生产过程中用到的高温窑炉有回转窑、熔盐电解槽、熔铝炉等。

铝工业炉耐火材料的消耗量很大，其原因是在产生AI2O3时，物料中的碱性物质对回转窑耐火材料的腐蚀特别严重，在铝冶炼过程中，即使在较低的温度下，金属铝仍有很强的渗透能力，一旦渗透到砖内，就会与砖中的SiO2发生反应，使Si还原，破坏耐火材料的组织结构，使炉衬产生变质层，疏松、剥落、损坏。反应式：3SiO2+4Al—+3SiO

因此，除高铝砖外，常用碳素制品作为铝工业炉的耐火材料。

原理图，示意图

02、氧化铝回转窑用耐火材料

目前，由于原料原因，我国氧化铝生产工艺多采用烧结法、联合法，铝土矿的干燥煅烧、氢氧化铝的焙烧多采用回转窑。焙烧设备已得到广泛应用，但在一些老厂，回转窑仍占很大比重。

回转窑是氧化铝熟料的烧结窑。制造氧化铝时，先将铝土矿、纯碱、石灰按比例混合，装入回转窑内，经1200~1300℃高温煅烧后出窑，再经过适当处理，制成氢氧化铝和母液；氢氧化铝装入回转窑，在1200℃高温下煅烧。回转窑内的煅烧过程为：高温火焰与被加热的物料在炉内作相反方向运动。 从窑尾加入石灰、氧化铝、粘土浆体（含水量40%）或氢氧化铝（含水量12%～18%），经低温干燥脱水、加热、高温煅烧后，物料由窑头排出，高温气体由窑头向窑尾流动。因此，窑内分为预热带和高温蒸煮带。为防止浆体在加热煅烧过程中粘附在窑衬上，强化传热过程，在耐火材料砌体之间还设置链条，窑体在转动过程中，物料与衬砖不断受到撞击，有利于对窑衬的使用寿命产生一定的影响。

用于生产氧化铝的回转窑窑体是用钢板焊接而成的筒体，内衬耐火材料。耐火材料在恶劣的环境和苛刻的条件下工作。它们应具有以下特性：耐碱腐蚀能力强；能长期承受1200~1300℃高温而不损坏。

目前，不定形耐火材料在铝工业中已得到广泛应用。回转窑窑口由于材料的高温磨损和热震应力，易变形损坏；在氧化铝熟料窑的过渡带，环境温度为400~1000℃：，受碱腐蚀严重，机械损伤（振动、扭曲），内衬经常脱落。回转窑还有钢纤维增强浇注料，主要用于预热带、窑口、窑尾、冷却器等部位。

氢氧化铝焙烧是氧化铝生产的最后一道工序，主要用于烘干氢氧化铝滤饼中的附着水和结晶水，使部分β型氧化铝转化为α型氧化铝。铝生产厂家对氢氧化铝的焙烧已全部或部分采用流化焙烧设备。流化焙烧设备又分为流化闪速焙烧炉、循环流化床焙烧炉、悬浮焙烧炉三种。所用耐火材料各有不同，但大量采用不定形耐火材料（耐火可塑料或耐火浇注料），占所用耐火材料的50%～70%。耐火材料全部从德国进口，循环流化床焙烧炉用耐火材料全部为国产。

氧化铝气悬浮焙烧炉是焙烧氢氧化铝的专用设备，其工艺性和自动化程度很高，焙烧过程是在高温炉体工作温度1200℃左右、风速较高条件下完成的。氧化铝材料硬度高、流动性好，对氧化铝产品质量要求非常严格，炉衬材料中混入任何杂质都会直接影响产品的性能，因此耐火材料必须满足以下条件：耐高温、耐磨、强度高、热稳定性好、整体性好、密封性强。

电解槽是生产电解铝的核心设备，电解槽通常为矩形钢壳，内衬碳砖，电解槽内悬挂碳质阳极，槽底碳质为阴极。以锂离子为电解质，在970℃左右熔化Al2O3，在电场力作用下，电解回收的铝熔体沉积在槽底阴极上，阳极放出的氧与碳质阳极发生反应，生成CO2或CO，电化学反应放出的热量使电解槽和铝保持熔融状态。铝液在一定时间内从槽中放出，槽内加入一定量的氧化铝和冰晶石，电解温度为900~1000℃。

铝电解槽侧壁衬损坏的主要原因有：钢壳、砖衬吸入空气引起的物质氧化；高温下冰晶石、NaF及铝液的腐蚀；熔体的流动引起的冲蚀；温度波动、热膨胀引起的热应力。

铝电解槽侧壁历来多采用非晶态碳块、石墨碳块等制作，该类材料最致命的缺点是抗氧化性差，强度低，为了防止侧壁氧化而具有较大的电阻，侧壁正向着部分或全部采用SiC材料的方向发展，其中以氮化硅结合的碳化硅砖为最佳，氮化硅结合的碳化硅砖高温力学性能优良，导热性好，内部易形成凝结渣；电阻率高，减少侧壁的电流损失；材料不易氧化；不与铝液、冰晶石等熔体发生反应；机械强度高，还可以大大减少内衬砖的厚度，增大电解槽的容积，提高电解槽的运行稳定。 例如，使用碳砖时，侧壁厚度约为200~400mm，但使用碳化硅砖与氮化硅结合后，侧壁厚度只有75mm。

03. 槽底阻挡层

在电解铝生产中，Na、NaF的蒸气和液体可通过槽底部的阴极材料进入下面的绝缘层。NaF等物质进入绝缘层后，导热系数增大，电解槽热效率下降，操作条件恶化，甚至造成槽体损坏。阴极材料下面的“阻挡层”是介于阴极耐火材料和绝缘材料之间的一层能阻止电解液渗透的材料，绝缘性能优良。现在一种新型的“阻挡层”材料干式防渗材料已经可以得到很好的利用。

04.熔炼炉、保温炉用耐火材料

常用的熔炼、合金化原铝锭及废铝的冶炼炉，多为燃气或燃油固定式或倾动式反射炉，也有部分为电阻反射炉、感应坩埚炉。只要在700-800℃地炉冶炼废铝方法，铝及其铝合金中的镁、硅、铜等元素就很活泼，极易与耐火材料中的某些成分发生化学反应，对耐火材料造成破坏。铝冶炼炉的腐蚀破坏机理主要有：

铝液容易进入耐火材料；

铝及其合金中的合金元素对一些氧化物有很强的恢复能力，而所引起的氧化还原反应是剧烈的放热反应；有些合金元素如镁等具有很高的蒸气压，它们的蒸气比铝液更容易蒸发进入耐火材料，而进入耐火材料后又被氧化，最终导致耐火材料发生质变、组织疏松和损坏；

大型熔铝炉在冶炼过程中，由于铝锭及合金的不断加入，铝锭及合金块对炉口、炉底、炉壁的冲击和磨损十分严重；

铝锭及合金块的加入，铝液的流出，炉内温度的波动等都对耐火衬产生热冲击破坏。

铝冶炼反射炉所用耐火材料要求能抵抗铝液和镁蒸气的侵入，有优良的耐磨性和抗热震性，与铝液接触的铝冶炼反射炉内衬一般采用Al2O3含量80%～85%的高铝砖砌筑；冶炼高纯铝金属时，采用莫来石砖或刚玉砖。炉坡处及废铝料等易受腐蚀磨损的部位采用氮化硅结合碳化硅砖。出铝沟、出铝口受铝液侵蚀严重的部位，一般采用自结合或氮化硅结合碳化硅砖，也有用石英砖作内衬的，出铝口堵漏器采用真空浇注耐火纤维效果较好。 不接触铝液的炉衬一般采用粘土砖、粘土质耐火浇注料或耐火可塑料砌筑，铝流槽内衬一般采用碳化硅砖，也可采用电熔泡沫硅砖预制砖。

现在随着铝熔炉的大型化和强化锻造的要求，高强度铝抗渗透浇注料因具有优异的抵抗铝液和镁蒸气侵入的性能、优良的耐磨性和抗热震性，得到了广泛的应用。