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技术专题

提升材料抗铝液侵蚀性和润湿性的措施

编辑:荣盛耐材   浏览:   时间:2021-04-28

金属铝熔点相对不高,在660℃即可融化为铝液,但其比热容为0.88×103J/(Kg·℃),约为铁的两倍,因此铝熔化过程中需要吸收更多的热量,消耗更多的能量,铝熔炼炉工作时熔体的温度为700~800℃,在750℃时纯铝熔液的粘度约为0.104Pa·s,而水在20℃时粘度为0.1Pa·s,因此高温铝液具有粘度较低的特点,对耐火材料具有极强的渗透性。

铝的化学性质活泼,能与炉内气体中的CO2、H2O、O2等发生反应,造成铝的损失。铝合金在高温下容易与耐火炉衬中成分反应,生成新的产物并产生一定的体积变化,使耐火材料的结构发生变化,改变材料的化学和物理性能,造成耐火材料的损毁。

而铝熔液与耐火材料的接触和浸润是二者发生化学反应的前提条件。因此,改善耐火材料的抗铝液侵蚀性能的途径有两种,一是在耐火材料表面施加涂层;另外一种途径是通过减少气孔率、减小气孔孔径或增大熔体与材料的润湿角来阻止其渗透。

通常通过以下措施来改善耐火材料的抗铝液侵蚀性和润湿性。

1矿物组成的设计
 
在原材料的选择上偏向于与铝溶液润湿角小或相互之间不发生化学反应的成分如Al2O3、SiC、Al4C3等为主要原材料,同时减少基质中与铝熔液反应的的矿物成分,如石英和莫来石相等。一般来说,当耐火材料和铝熔液的润湿角大于90°时两者就呈不润湿状态。大部分的氧化物与铝熔液的润湿角都较小,且随着温度的升高或时间的延长,润湿角会进一步减小,而碳化物、硼化物以及氮化物则不易与铝熔液润湿。
有研究表明:700℃时的纯铝液与Al2O3材料的润湿角为97°,与玻璃态碳的润湿角为92°,与单晶和多晶石墨的润湿角为126°,与单晶SiC的润湿角为79°。也即在熔铝炉的工作温度下,铝熔液与Al2O3材料和石墨材料不润湿,但与SiC材料会润湿。铝熔炼炉的冶炼气氛为氧化性气氛,此时若采用石墨作为抗润湿剂,及其容易因氧化而导致失效。因此,提高耐火材料中的Al2O3含量相对来说可行。
 
铝合金熔液具有很强的渗透和侵蚀能力,仅仅依靠调整矿物组成,不能从根本上改善材料的抗铝熔液侵蚀性能。
 
2材料组织结构的优化
 
降低材料的显气孔率以及减小材料的气孔孔径可以减少铝熔液的渗入通道,增大熔液向耐材中渗透的阻力。采用合适的颗粒级配,引入微粉,以及采用高效的分散技术,都可以降低材料的显气孔率。在实际操作中一般采用Andreassen紧密堆积原理作为耐火浇注料理论指导,尽可能逼近颗粒级配;在浇注料中加入适量的α-Al2O3微粉和SiO2微粉等,在烧结后填充于基质中间的小空隙内,以此降低材料的显气孔率,但微粉及超微粉容易团聚,因此通常加入高效分散剂,使微粉在材料中可以充分均匀。

3抗铝液润湿剂的选择
 
添加抗铝液润湿剂可以降低铝熔液与耐火材料间的润湿性或减小材料的显气孔率,从而阻止铝熔液和材料之间的反应,抗铝液润湿剂主要的作用机理是与材料组份发生反应或填充于空隙中或与铝液具有较大的润湿角,此部分工作研究人员已经有了长足的进展,效果相对较好的抗铝液润湿剂主要有:BaSO4、Na3AlF6、CaSO4、CaF2、Cr2O3、Si3N4、AlF3、P2O5、TiB2、SrTiO3等。
 
4在材料表面形成涂层
 
涂层的存在可以隔绝或很大程度上减少材料与熔体的接触,但涂层应具备耐高温及不与熔体浸润的特点,采用氮化物、硼化物等组份制备可与材料形成牢固结合的涂层是一条良好的途径,但此部分研究由于采用特定材料及提高工艺水平已可以满足使用需求而很少研究。



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