Монолитная футеровка печей для алюминия

Огнеупорная футеровка для алюминия

В алюминиевой промышленности применяется большое разнообразие печей и агрегатов, которые требуют огнеупорной футеровки. На всех этапах обработки первичного и вторичного алюминия в настоящее время в основном применяется современная, так называемая, монолитная футеровка. Только при выплавке  первичного алюминия в некоторых печах и агрегатах продолжают применять огнеупорный кирпич, но также уже специальной формы и из специальных материалов [1].

Ниже будут рассмотрены особенности применения монолитной футеровки в плавильных и раздаточных печах, которые применяются при производстве продукции из первичного и вторичного алюминия.

Футеровка для жидкого алюминия

Плавильные, а также раздаточные, печи для алюминия и алюминиевых сплавов имеют рабочую температуру около 750 ºC. Это значительно ниже рабочей температуры печей для производства чугуна и стали – от 1200 до 1500 ºC. Может показаться, что условия работы и требования к огнеупорной футеровки печей для плавления алюминия должны быть значительно легче, чем печей для чугуна и стали. Однако футеровка, которая работает с жидким алюминием, сталкивается со своими сложностями и особенностями.

В условиях растущей конкуренции футеровка современных плавильных печей подвергается все более жестким условиям эксплуатации за счет повышения их производительности и сокращением времени для их технического обслуживания. Это выражается в применении более активных флюсов и ускоренных способов чистки печей, замене горелок на более мощные, а также возрастании в шихте доли алюминиевого лома. Комбинация всех этих факторов приводит к возрастанию температуры печи и созданию в печи более агрессивной атмосферы [2, 3].

Ответом на ужесточение условий эксплуатации футеровки печей для алюминия и алюминиевых сплавов стало широкое применение в них так называемой монолитной футеровки.

Зоны футеровки

Огнеупорная футеровка типичных плавильных (раздаточных) печей для алюминия должна выдерживать большое разнообразие физических и химических воздействий [1-3]. Различные зоны печи, которые имеют свои особенности эксплуатации, показаны на рисунке 1.


Рисунок 1 – Зоны футеровки плавильно-раздаточной печи [4]

В общем случае плавильные печи имеют трех четко выраженных зоны, которые различаются по условиям их эксплуатации [1]:

  • верхняя зона, в которой находятся горелки, и которая содержит горячую печную атмосферу.
  • нижняя зона, которая находится в контакте с жидким алюминием.
  • «шлаковый пояс» (belly band – “пузо”), которая примыкает к нижней зоне.

Футеровка в контакте с металлом, то есть в нижней зоне печи, изнашивается в результате:

  • химических реакций алюминия с материалом футеровки,
  • механического повреждения при чистке печи для удаления шлака со стен и подины печи и
  • термических ударов, которые возникают при загрузке шихты.

Футеровка в верхней зоне печи подвергается воздействию

  • повышенной рабочей температуры
  • щелочных металлов
  • термических ударов от открывания загрузочного окна.

Промежуточная зона печи («шлаковый пояс») должна выдерживать:

  • все указанные выше воздействия как для нижней, так и для верхней зон печи из-за изменения уровня расплавленного алюминия
  • высокие локальные температуры, которые могут возникать при применении флюсов (например, экзотермических флюсов – см. здесь).

Образование корунда на футеровке

Реакции между алюмосиликатами и расплавленным алюминием приводят к образованию корунда. Хотя корунд – это «минеральное» название оксида алюминия Al2O3, в контексте печной футеровки – это смесь Al2O3 c частицами футеровки, а также с кремнием и алюминием [2]. Этот продукт с непостоянным составом часто образуется ниже уровня расплава и растет вверх, нарушая целостность элементов футеровки. Его очень трудно удалять, поскольку он прочно закрепляется на футеровке за счет диффузии в ее поры.

На рисунке 2 показана схема образование корунда на футеровке печи.

Рисунок 2 – Схема образования наростов корунда на футеровке печи [2]

Реакции образования корунда

Алюминий имеет сильное сродство с кислородом, то есть, другими словами, высокую способность активно соединяться с кислородом. Это приводит к различным механизмам окисления жидкого алюминия (рисунок 3) [1]:

  • На поверхности ванны жидкого алюминия происходит его прямое окисление:4 Al + 3 O2  → 2 Al2O3
  • На футеровке, начиная с поверхности жидкого контакта (ниже уровня расплава). Металлический алюминия за счет высокого сродства с кислородом диффундирует из расплава в футеровку и реагирует с ней согласно реакции:4 Al + 3 SiO2  → 2 Al2O3 (тв.) + 3 Si                                                                                                             

Эти два механизма могут взаимодействовать друг с другом и катализировать друг друга [1].


Рисунок 3 – Реакция жидкого алюминия с футеровкой с образованием корунда [1]

Что такое хорошая футеровка

Характеристики футеровки, которые могут влиять на образование корунда:

  • Тип огнеупорного заполнителя (порошка)
  • Метод монтажа футеровки
  • Матрица огнеупора (очень важно)

Матрица огнеупора – непрерывная кристаллическая или стекловидная фаза огнеупора, содержащая изолированные включения других фаз [5].

Существует несколько путей модифицирования футеровки для повышения ее стойкости к воздействию жидкого алюминия:

  • Снижение содержания химических компонентов огнеупорной футеровки, которые имеют сродство к кислороду ниже, чем алюминий
  • Оптимизация пористости огнеупорной футеровки (рисунок 4)
  • Снижение смачиваемости поверхности огнеупорной футеровки жидким алюминием.


Рисунок 4 – Проникновение алюминия в футеровку
в зависимости от диаметра пор [1]

Повышение стойкости футеровки

Чтобы противостоять способности алюминия смачивать футеровку, а затем проникать в нее и реагировать с нею, применяют несколько подходов. Их целью является сдержать или ослабить способность алюминия восстанавливать компоненты футеровки и, тем самым, предотвратить возникновение реакции образования корунда.

Применение в огнеупорах добавок, которые повышают их несмачиваемость  расплавленным алюминием, является распространенным подходом, особенно для огнеупорных бетонов на основе алюмината кальция. Для этой цели применяют много различных материалов, причем механизм их действия часто известен. Такими добавками являются сульфат бария, различные типы фторидов (AlF3, CaF2 и т. п.) и другие. Другим подходом является добавление фосфатных добавок, которые повышают характеристики несмачиваемости огнеупоров в контакте с жидким алюминием и, кроме того, не распадаются до температуры 1500 ºС. Фосфатные добавки способствуют образованию связи между новыми и старыми огнеупорами, что особенно важно при выполнении ремонта футеровки [2].

Источники:

  1. Seven Refractories – Aluminium Indusry – 2019
  1. Refractory Considerations for Aluminum Melting and Holding Furnaces – Refractory Engineer, January 2015
  1. Improved Monolithic Materials for Lining Aluminum Holding & Melting Furnaces // Light Metals 2011 – ed. S.J. Lindsay – 2011
  1. Assessing Monolithic Refractories for Use in Aluminium Melt-Hold Furnace – Advanced Materials & Process – July 2011
  1. ГОСТ P 52918-2008 Огнеупоры. Термины и определения