鋁電解槽用碳化硅磚

電解槽是電解鋁過程中的重要部件，而影響鋁電解槽壽命的兩個主要因素為碳陰極和內(nèi)襯耐火材料。本文對碳化硅磚在鋁電解槽上的應(yīng)用，以及目前存在的問題、研究狀況作簡單的敘述： 

鋁電解槽內(nèi)襯按區(qū)域分，可分為底部內(nèi)襯和側(cè)部內(nèi)襯。底部內(nèi)襯從功能上講，起著支撐陰極結(jié)構(gòu)和保溫的作用。側(cè)部內(nèi)襯則主要起著保護鋼制金屬外殼面免受電解質(zhì)熔體的侵蝕的作用。 

鋁電解槽側(cè)部內(nèi)襯是電解槽的一個重要結(jié)構(gòu)部分，根據(jù)現(xiàn)代的觀念，提出了鋁電解槽的側(cè)壁材料在高溫下應(yīng)該具有如下一些重要性能：電阻率高、導(dǎo)熱性好、不與熔融的冰晶石起化學(xué)反應(yīng)、孔隙度小、不滲透電解液和鋁、不被空氣氧化。 

由于碳化硅的價鍵結(jié)構(gòu)特點決定了它的一系列優(yōu)良性能，如高強度、高硬度、耐高溫、抗氧化、高導(dǎo)熱系數(shù)、低熱膨脹率、優(yōu)良的抗熱震性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、不被有色金屬潤濕等，并且耐高溫化學(xué)腐蝕性能良好，特別適合作為鋁電解槽內(nèi)襯耐火材料。 

隨著材料技術(shù)的發(fā)展并隨著電解槽容量的增大，電解槽側(cè)部內(nèi)襯材料結(jié)構(gòu)，已由早期的雙炭塊外加保溫磚結(jié)構(gòu)，逐漸演變?yōu)闊o保溫磚、單層炭塊，以至當今的單獨的碳化硅結(jié)合氮化硅材料。 

存在的問題及目前的研究狀況 

碳化硅磚是我國有色行業(yè)近期推廣使用的一種新型筑爐材料，最早應(yīng)用于我國平果鋁320kA大型預(yù)焙鋁電解槽上。近年來，企業(yè)的使用情況表明，無論是使用純碳化硅磚側(cè)塊還是復(fù)合側(cè)塊，在生產(chǎn)過程中普遍發(fā)現(xiàn)有不同程度的斷裂、脫落現(xiàn)象，而復(fù)合側(cè)塊的碳化硅層還有上抬現(xiàn)象。 

溫度差(以人造伸腿上沿為界)是造成碳化硅磚斷裂的主要原因。碳化硅磚雖然具有良好導(dǎo)熱的性能，較低的熱膨脹系數(shù)，但因制品經(jīng)1450℃以上高溫燒成，形成六方結(jié)構(gòu)陶瓷體，因此，耐熱振性和耐溫差性能差。在碳化硅磚上部和下部反復(fù)形成溫差的環(huán)境下，極易斷裂。 

當碳化硅復(fù)合層斷裂后，電解質(zhì)浸入到裂縫中，當電解槽從效應(yīng)溫度恢復(fù)到正常溫度時，縫中電解質(zhì)凝固收縮，新的電解質(zhì)進入裂縫中又凝固。當下一次效應(yīng)時，浸入到裂縫中的固體電解質(zhì)受熱膨脹頂起上部斷裂塊，待槽溫恢復(fù)正常時電解質(zhì)又凝固收縮形成縫隙，然后又進入新的電解質(zhì)再凝固。再來效應(yīng)時，又膨脹將斷裂塊上頂，這樣反復(fù)作用，斷裂的上部逐漸上抬了。 

在電解鋁過程中，溫度接近1000℃，此時電解槽內(nèi)襯的侵蝕主要分為3部分，靠近下方的金屬鋁熔體，中間部位的熔體電解質(zhì)，以及上部分各種侵蝕性氣體(如HF、AINaF4等)。通常情況下在電解質(zhì).氧化鋁熔液中陽離子滲透以Na+礦為主，陰離子滲透以F-為主。 

氣孔率、基質(zhì)相、潤濕性等各種因素都能夠影響耐火材料的抗侵蝕性。氣孔率高，孔徑大的材料其抗侵蝕性肯定差，因為冰晶石或者鋁液等能夠直接滲透到材料內(nèi)部。肖亞明指出，熔融金屬對耐火材料的極限孔徑，鋼水30μm，鐵水5μm，鋁熔液為0.5μm，因此鋁液對材料的滲透能力相當強。基質(zhì)相薄，抗侵蝕性好，但是強度會受到直接影響，基質(zhì)相厚，則抗侵蝕性就差。如果材料與鋁液潤濕角大，則其抗侵蝕性能就優(yōu)越。 

研究了各種結(jié)合相的SiC質(zhì)材料抗電解質(zhì)侵蝕的性能，結(jié)果表明除自結(jié)合SiC外，Si3N4結(jié)合SiC材料抗電解質(zhì)性能最佳，盡管Si3N4結(jié)合相被熔體潤濕，但滲透很淺，也沒有分解。 

葛山等人的結(jié)果表明：Si3N4結(jié)合SiC制品在空氣部分的損壞主要是由于Si3N4和SiC氧化導(dǎo)致的：而在冰晶石電解質(zhì)與空氣界面處，由于化學(xué)反應(yīng)形成的氧化-侵蝕-滲透惡性循環(huán)使得侵蝕最為嚴重，電解質(zhì)在金屬鋁液中的溶解和由于試樣本身結(jié)構(gòu)中的氣孔可能是Si3N4結(jié)合SiC制品在金屬鋁液中發(fā)生侵蝕的主要原因。 

張麗鵬等人研究了不同氮化硅含量的氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料在冰晶石熔鹽中的侵蝕行為，得出腐蝕主要發(fā)生在25h前，25h后Si3N4/SiC材料增重率基本不變，低Si3N4含量(13%)的Si3NgSiC材料具有良好的抗冰晶石熔體腐蝕的性能。 

Etzion等人研究發(fā)現(xiàn)在鋁電解過程中，氣孔率和β-Si3N4的含量對Si3N4結(jié)合SiC耐火材料的抗侵蝕性有重要的影響。氣孔率越高或者β-Si3N4的含量越高則侵蝕就越嚴重。SiC骨料的量在80%~85%之間則抗侵蝕效果好。