有色金屬用工業(yè)爐的反應(yīng)室和熔煉室,使用各種類型的耐火材料做內(nèi)襯。提煉原生金屬的大型爐子一般均用耐火磚,小型的重熔爐、保溫爐和澆鑄爐則主要用不定型耐火材料(搗打料、耐火澆注料和預(yù)制件)。一如既往,石墨-粘土-碳化硅坩堝的性能優(yōu)異。溜槽和澆鑄設(shè)備則使用特殊制品,諸如耐火纖維、純氧化物、氮化物或金屬陶瓷制品等。
有色金屬冶煉使用的耐火材料,約占耐火材料總產(chǎn)量的5~10%,現(xiàn)將與耐火材料應(yīng)用有關(guān)的金屬及其有關(guān)氧化物的一些密度,熔點(diǎn)以及氧化物的自由生成焓,性能列于下表。
1.熔融金屬的侵蝕
熔融金屬和耐火材料之間的氧化還原反應(yīng)的可能性,可以從熱動(dòng)力學(xué)角度推斷出來。自由生成焓的值(—ΔGi)就表示這種反應(yīng)的程度。(表)中示出氧化物生成的相應(yīng)焓的值。自由生成焓的值(負(fù)數(shù))越大,氧化物的穩(wěn)定性就越高。(表)內(nèi)示出的氧化物中,CaO和MgO最穩(wěn)定,也就是說,熔融的鈣和鎂能使多余的氧化物還原出來。
耐火材料的潤(rùn)濕性取決于兩相系之間的界面應(yīng)力。潤(rùn)濕性根據(jù)潤(rùn)濕角確定。對(duì)潤(rùn)濕性發(fā)生影響的因素很多,包括氣氛、接觸反應(yīng)(有時(shí)與時(shí)間有密切關(guān)系)、雜質(zhì)、合金元素和耐火材料的氣孔結(jié)構(gòu)等等。例如銅熔體對(duì)AL2O3的潤(rùn)濕角,在熔體中的氧化亞銅含量升至5%時(shí),會(huì)急劇變小,由163°下降為25°。被金屬熔體浸漬的程度,取決于下列因素;熔體的表面張力和粘度、耐火材料的潤(rùn)濕性和氣孔的孔徑。表2已經(jīng)有色金屬熔體的有關(guān)數(shù)據(jù)一一列出。有色金屬熔體的粘度低于鐵熔體,有的與水的粘度相近。
將理論推斷和在試驗(yàn)室進(jìn)行短期反應(yīng)及潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,慎重地用于實(shí)際生產(chǎn)中,因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)條件(如氣氛、雜質(zhì)和溫度梯度)對(duì)耐火材料的使用壽命會(huì)產(chǎn)生重大的影響。再者,根據(jù)理論推斷和實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可了解耐火爐襯可能出現(xiàn)的損毀過程和耐火材料所引起的熔融金屬中的雜質(zhì)(如吸入氧氣)。
2.氧化物、渣和熔融鹽的侵蝕
用火法冶金處理有色金屬時(shí),會(huì)產(chǎn)生各種成分的爐渣。渣的來源是礦石中的脈石和選擇性分離用的添加料。渣中含有硅酸鐵、硅酸鈣、硫和重金屬、有時(shí)還有重金屬氧化物。呈稀薄液體狀態(tài)的FeO-CaO-SiO2系和MnO-SiO2系渣有強(qiáng)烈的侵蝕和浸漬作用
重熔有色金屬時(shí),如沒有熔池保護(hù)層,由于氧化,金屬熔池表面會(huì)出現(xiàn)氧化物;再者,金屬液會(huì)噴濺到熔池上方的耐火爐襯上去,并在該處氧化,這樣,爐襯就受侵蝕,并形成厚厚的結(jié)瘤,即爐瘤。為了判斷耐火材料對(duì)所產(chǎn)生的氧化物的反應(yīng)性能,可以進(jìn)行相平衡圖分析,列出有色金屬冶煉有關(guān)的重要三項(xiàng)參數(shù);出現(xiàn)首次熔融物的低共熔溫度(E),首次熔融物的成分(ZE)和產(chǎn)生的化合物(V)。化合物(V)具有高耐火性能,可起保護(hù)層作用。
3.氣氛和蒸汽的作用
爐子中往往是弱還原至強(qiáng)還原氣氛占“統(tǒng)治”地位。CO的分解會(huì)在耐火制品的氣孔中形成有破壞作用的碳,分解過程中,不僅是鐵和氧化鐵,連鋅亦起催化作用。含水蒸氣的氣氛如接觸到碳化硅磚、便會(huì)妨礙防止表面氧化的保護(hù)層的形成,或者破壞這種保護(hù)層。冶煉硫化物礦石時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化硫,它會(huì)使MgO分解,形成MgSO4。金屬蒸汽會(huì)很深地往耐火爐襯中擴(kuò)散,并冷凝下來,產(chǎn)生分解破壞作用。
4.有色金屬熔煉爐耐火爐襯中的溫度一般在950~1400℃范圍內(nèi),在噴嘴和風(fēng)口附近的溫度比該溫度高很多。進(jìn)行吹洗氣體處理,或者通過溜槽和管道運(yùn)送熔融金屬時(shí),含塵氣流、熔融金屬和爐渣運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械沖刷和磨蝕應(yīng)力。
耐火爐襯的浸漬和渣化對(duì)耐火材料的熱穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,引起裂紋和剝落。熔融金屬的強(qiáng)烈滲透和進(jìn)入磚縫,致使整個(gè)爐墻有鼓起的危險(xiǎn)。耐火爐襯的使用壽命取決于很多因素。由于近年來耐火材料的質(zhì)量有了顯著改善,爐子的結(jié)構(gòu)及操作方法的影響也日益明顯。