[发明专利]惰性阳极铝电解槽用不定型耐火耐蚀材料及其制作方法

说明书

技术领域

惰性阳极铝电解槽用不定型耐火耐蚀材料及其制作方法，涉及一种不定型耐火耐蚀材料，特别是工业化惰性阳极铝电解槽保温与密封用不定型耐火耐蚀材料及制作方法。

背景技术

自Hall-Heroult的冰晶石-氧化铝熔盐电解法问世以来，该方法一直是工业上生产原铝的主流方法。其原理是在电解槽中，以冰晶石-氧化铝熔盐做电解质，通直流电，熔盐中的氧化铝分解。在阴极析出铝水，在阳极析出气体。铝水密度高于电解质，铝水在电解槽底部汇聚，当有一定的量后，取出铝水浇注成铝锭。阳极气体溢出，经净化除尘后排空或收集等处理。

随着工业技术的不断进步，铝电解槽也有了很大的发展。目前以炭阳极为主要特征的预焙阳极铝电解槽，成为当今铝工业的主流槽型。预焙阳极铝电解槽在不断的向大型化、自动化、高电流效铝、高寿命、低能耗等方向发展。500kA大型铝电解槽已经成功投运，600kA大型铝电解槽也在试验中；国内外已有较多铝厂其电流效率在95%以上，槽寿命超过3000天，直流电耗已降低到13000kW·h/t（Al）以下。

尽管预焙阳极铝电解技术已经取得了较好的指标，但其自身有着固有的缺陷：如消耗性炭阳极需要定期更换，不仅给操作带来较大的工作量，也给碳素资源带来了很大的压力；原铝电解和阳极焙烧生产过程排放大量的CO₂，每生产1吨铝约排放1.8吨以上的CO₂，同时由于阳极效应产生的强温室气体，实际吨铝直接当量CO₂的排放量超过2.5吨。这严重违背了“低碳”经济的理念；生产过程高能耗，尽管直流电耗可降低到13000kW·h/t（Al）以下，但其能量利用率仍然仅有50%左右。

随着科技的进一步发展，惰性阳极铝电解槽正在逐步的从试验室通过中试走向工业化。惰性阳极铝电解槽有着传统铝电解槽不可比拟的优势：阳极不再需要频繁更换；排放的不再是CO₂而是氧气。然而，对于惰性阳极铝电解槽的建设，需要用到较多的耐火耐蚀材料。除了炉膛内衬外侧和底部，那些不直接接触电解质或电解质气氛的区域需要耐火耐蚀材料。在炉膛的上部，有电解质气氛的区域，也需要用耐火耐蚀材料进行保温和密封。正是由于惰性阳极不易消耗，因而可采取特殊保温措施减少散热损失，显著降低惰性阳极铝电解槽的综合能耗，同时这也是保温型惰性阳极铝电解槽相比于散热型传统铝电解槽的优势。

炭阳极铝电解槽上部的保温是靠电解质自身形成结壳，在结壳上添加上一层氧化铝或破碎好的覆盖料（氧化铝含量很高的结壳块），从而形成的一层硬壳。这种保温方式，难以密封，散热量很大。炭阳极铝电解槽上部散热加上烟气带走的热量，占总散热量的50%左右。炭阳极铝电解槽的理论最低能耗为6320kW·h/t（Al），然而，由于炭阳极铝电解槽散热过多，使得具有较高技术水平的炭阳极铝电解槽，其吨铝直流能耗也在13000kW·h左右。

惰性阳极铝电解槽的理论最低能耗为9240kW·h/t（Al），高于炭阳极铝电解槽。但惰性阳极铝电解槽可通过降低散热损失，特别是上部的热损失，反而在综合能耗方面占优势。在电解质液面上方采用特殊的耐火耐蚀材料进行保温和密封，不让电解质自然结壳，使电解槽整体呈“保温型”槽，总的散热损失会大大降低。同时由于可以实现更紧凑的设计，那么惰性阳极铝电解槽的综合能耗将会不高于甚至低于现有预焙炭阳极铝电解槽。

惰性阳极铝电解槽上部保温和密封区域直接面对熔融电解质液面，高温（750~960℃）、强腐蚀（氢氟酸、氟化物）、强氧化（热氧气）的环境对普通材料的腐蚀会非常严重。目前，采用“人为”的方式对工业化铝电解槽上部，特别是电解质液面上方，用耐火耐蚀材料直接对其进行保温和密封，使电解质不结壳，来降低散热的做法，仍没有先例。

电解质对材料的侵蚀和电解质气氛对材料的侵蚀有很大不同。电解质的侵蚀主要表现为溶解、冲刷和渗透。在密闭的条件下，如电解槽底部，为预防电解质侵蚀或电解质渗漏，往往采用含硅元素的材料（如干式防渗料）。一方面因为其在电解质中的溶解度小，再者电解质中的氟化钠、氧化铝可以与二氧化硅结合形成致密的霞长石，能够阻止电解质的进一步渗漏。电解质气氛的腐蚀主要表现为破坏材料结构组织，改变材料性能。在电解质气氛中有氟化氢气体，它可以和水蒸气形成氢氟酸。氢氟酸对材料的腐蚀特别强。对于含硅的材料，氢氟酸或氟化氢气体可以与硅元素结合生成四氟化硅，四氟化硅以气体形态溢出，材料便会因硅元素流失而粉化。并且，惰性阳极铝电解槽的电解质气氛中还含有浓度较高的热氧气，具有很强的氧化性，对材料的破坏性也很大。