铝电解槽用防渗材料性能分析范文

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摘要:在工业铝电解槽上，防渗材料的性能直接影响铝电解的经济技术指标和槽寿命。本文通过对国内铝电解槽用防渗材料的抗电解质侵蚀性能、导热系数等方面做了一些尝试性研究，对防渗材料的性能进行评估，为电解铝企业进一步了解我国铝电解槽用防渗材料性能提供依据。

关键词:铝电解;防渗材料;抗电解质侵蚀

铝电解槽用防渗材料的主要作用是阻止电解质和铝液渗漏到炉底保温中，破坏保温材料性能，改变电解槽的能量平衡，影响铝电解的经济技术指标和槽寿命。理想的防渗材料能在电解质侵蚀时与其反应形成良好防渗阻挡层，且防渗阻挡层不随时间的延长发生变化和消耗。上世纪90年代问世的干式防渗料及近年市场上出现了蛭石防渗砖均具有上述功能，但目前市场上干式防渗料和蛭石防渗砖品种很多，产品性能也各不相同，本文对国内铝电解槽用防渗材料的抗电解质侵蚀性能、导热系数、显气孔率等方面做了一些尝试性研究，为电解铝企业进一步了解我国铝电解槽用防渗材料性能提供依据。

1实验

1.1试验原料

电解质为工业槽取电解质，分子比为2.48，初晶温度为937℃;实验用A1、A2、A3三种蛭石防渗砖和B1、B2两种干式防渗料分别取自不同电解铝厂筑炉用大修材料，及中铝郑州研究院的BF－2型干式防渗料。

1.2试验方法

1.2.1抗侵蚀试验在蛭石防渗砖中线处掏一直径50.0mm，高度50.0mm的圆柱形凹槽，加入150g电解质粉于该凹槽内，加刚玉盖密封;干式防渗料则放入石墨坩埚中振实后加入150g电解质粉，外部用石油焦密封，隔绝空气防止石墨坩埚高温氧化。将上述试样放入试验炉中，90min升温至960℃，并保温96小时后自然冷却。1.2.2导热系数采用水流量平板法导热系数测试仪测量导热系数，测量温度热面为400℃、600℃、800℃，每个温度测试三次，取平均值。其中干式防渗料为不定型材料，先按YS/T456－2014测其捣实密度，测导热系数时需将试样压实到捣实密度下进行检测。1.2.3其他指标导热系数检测参考标准GB/T21114－2007;耐压强度检测参考标准GB/T5072－2008;显气孔率和体积密度检测参考标准GB/T2997－2000;化学成分检测参考标准GB/T21114－2007。

2结果与讨论

2.1蛭石防渗砖的测定结果与讨论

2.1.1抗电解质侵蚀实验在实验条件下，对蛭石防渗砖进行了两次抗电解质侵蚀平行试验，图2、图3分别为两次实验后蛭石防渗砖的剖面图，由图2和图3可见两批次蛭石防渗砖颜色上有一定的差异，这可能是原料中Fe等微量元素含量不同导致的，但是防渗实验效果重现性良好，且都反映出A3蛭石防渗砖防渗效果欠佳，没有形成防渗层，侧部和下部都发生了渗漏，且可以看明显的侵蚀后的孔洞。A1、A2两种蛭石防渗砖防渗效果较好，底部明显形成了一层致密的黑色防渗层，电解质没有下漏，但是测壁有被侵蚀变宽。其中，A1主要在电解质界面位置明显侵蚀凹槽半径突然变大;A2侧部受电解质侵蚀凹槽半径整体变大在电解槽界面位置达到最大值。表1为实验前后蛭石防渗砖凹槽尺寸变化情况，通过表1可以看出A3发生渗漏，无防渗作用。A1、A2底部侵蚀厚度基本一致为2～3mm，A1侧部被电解质侵蚀厚度最大12mm，A2侧部被电解质侵蚀厚度最大16mm，总体来看A1的防渗效果较好。同时，也可以看出在电解质、空气和防渗砖接触的界面处侵蚀最严重。2.1.2导热系数及其他指标测定实验在试验条件下，对蛭石防渗砖的导热系数及其他指标进行测定，结果见表2所示。根据NaF与SiO2、Al2O3反应生成霞石或钠长石阻止电解质的继续渗透的机理，由方程式(1)［1］可知需SiO2和Al2O3的质量比为2.65，与A1和A2的成分比例相近。由表2可以看出，A1、A2样品的SiO2含量、Al2O3含量基本一致，且与A3有较大差异，说明化学成分对蛭石防渗砖的防渗性能有直接影响［2］。6NaF+2A12O3+9SiO2=Na3A1F6+3NaAlSi3O8(1)另，体积密度、耐压强度和同一温度下的导热系数均是A2＜A1＜A3，说明体积密度、耐压强度和导热系数三者之间存在正相关性。

2.2干式防渗料的测定结果与讨论

2.2.1导热系数及其他指标测定实验在实验条件下，对干式防渗料的导热系数及密度进行了测定。发现干式防渗料的导热系数重复测定时波动较大［3］，但是总体随着温度的升高而增大，表3测定结果均为三次测量数据的平均值，由表3可以看出导热系数随着测试时捣实密度的增大导热系数也随之增大。2.2．2抗电解质侵蚀实验对于干式防渗料的抗电解质侵蚀能力，有以反应质量计算的［4～5］，该方法存在反应后生成的黑色霞石层和下层防渗料难剥离的问题;有以侵蚀高度计算的［6］，该方法存在反应后的高度不是一个平面的问题，分析认为出现该情况的可能原因是:干防渗料是不定型材料，试样的粒径等级也不一样，石墨坩埚内捣实时不能达到均匀一致，在进行防渗实验时干式防渗料与电解质反应甚至干式防渗料颗粒被电解质侵蚀上浮到电解质中，使反应面不在一个平面上。在工业电解槽上，干式防渗料和电解质中间隔着阴极炭块，不可能出现干式防渗料上浮到电解质中的情况，而影响反应深度的情况。本实验提出以防渗实验时生成的最大阻挡层厚度的方式来判定干式防渗料的抗电解质侵蚀能力可行性。在实验条件下，对干式防渗料进行了抗电解质侵蚀试验，表4为三种干式防渗料防渗实验测定数据表。由表4可以看出B1全部反应无防渗效果，B2和BF－2形成了防渗阻挡层，B2和BF－2的反应深度分别为15mm和6mm，而其最大反应层厚度分别为11mm和3mm，最大反应层厚度和反应深度存正相关性，可以较好的反应干式防渗料的防渗性能，且最大反应层厚度易于测量，将其作为表征防渗料的防渗性能的依据有较高的可行性。图4为实验后干式防渗料的剖面图，造成B1、B2、BF－2三种防渗料防渗性能差异的主要原因有:生产防渗料的原料差异，不同原料其化学成分和真密度不同，直接影响防渗料的防渗性能;防渗料的粒极配比不同，直接影响防渗料的振实密度及孔隙度，进而影响防渗料的防渗性能;防渗料中的添加剂种类及参配比例不同，合适的添加剂具有增大防渗料振实密度和增强防渗料防渗性能的作用。另，由图4可以看出在坩埚边缘，防渗料和黑色霞石层结合部位，霞石层明显变厚且较为疏松［7］，这主要是在制样时坩埚内有空气残留，随着温度的升高，坩埚壁出现了轻微的氧化，给了电解质向下渗透的通道，使得该位置出现上述现象。

3结论

(1)蛭石防渗砖的抗电解质侵蚀能力与化学成分有直接关系，且形成黑色防渗层的蛭石防渗砖其防渗实验后向底部反应深度较低仅为2～3mm，但是向侧部侵蚀厚度较大。(2)干式防渗料的抗电解质侵蚀能力用防渗实验后生成的反应层厚度表征有较高的可行性。(3)用石墨坩埚做干式防渗料抗电解质侵蚀能力实验时，存在边缘氧化而电解质向下渗透的情况，不应采用边缘的防渗阻挡层厚度来表征干式防渗料的抗电解质侵蚀能力。

参考文献:

［2］章艺．耐火材料抗熔融冰晶石电解液侵蚀检测方法的研究［D］．天津:天津大学，2008:25－27．

［3］刘世英，石忠宁，任必军，等．铝电解槽用干防渗料的导热性与抗渗性［J］．中国有色金属学报，2006(9):1641－1645．

［4］赵建立．铝电解槽用于式防渗料检测方法的研究［D］．西安:西安建筑科技大学，2003:39－44．

［5］YS/T456－2003，铝电解槽用干式防渗料［S］．

［6］张宏，干益人．铝电解槽用于式防渗保温料的研制和应用［C］．第三届国际耐火材料学术会议论文集．1998:180－185．

［7］刘世英．铝电解槽内衬材料的导热性及渗透性研究［D］．沈阳:东北大学，2007:28－30．

作者：汪艳芳 柴登鹏 张亚楠 张芬萍 单位：中国铝业郑州有色金属研究院有限公司