鋁電解槽用碳化硅磚

電解槽是電解鋁過程中的重要部件，而影響鋁電解槽壽命的兩個主要因素為碳陰極和內襯耐火材料。本文對碳化硅磚在鋁電解槽上的應用，以及目前存在的問題、研究狀況作簡單的敘述： 

鋁電解槽內襯按區域分，可分為底部內襯和側部內襯。底部內襯從功能上講，起著支撐陰極結構和保溫的作用。側部內襯則主要起著保護鋼制金屬外殼面免受電解質熔體的侵蝕的作用。 

鋁電解槽側部內襯是電解槽的一個重要結構部分，根據現代的觀念，提出了鋁電解槽的側壁材料在高溫下應該具有如下一些重要性能：電阻率高、導熱性好、不與熔融的冰晶石起化學反應、孔隙度小、不滲透電解液和鋁、不被空氣氧化。 

由于碳化硅的價鍵結構特點決定了它的一系列優良性能，如高強度、高硬度、耐高溫、抗氧化、高導熱系數、低熱膨脹率、優良的抗熱震性、良好的化學穩定性、不被有色金屬潤濕等，并且耐高溫化學腐蝕性能良好，特別適合作為鋁電解槽內襯耐火材料。 

隨著材料技術的發展并隨著電解槽容量的增大，電解槽側部內襯材料結構，已由早期的雙炭塊外加保溫磚結構，逐漸演變為無保溫磚、單層炭塊，以至當今的單獨的碳化硅結合氮化硅材料。 

存在的問題及目前的研究狀況 

碳化硅磚是我國有色行業近期推廣使用的一種新型筑爐材料，最早應用于我國平果鋁320kA大型預焙鋁電解槽上。近年來，企業的使用情況表明，無論是使用純碳化硅磚側塊還是復合側塊，在生產過程中普遍發現有不同程度的斷裂、脫落現象，而復合側塊的碳化硅層還有上抬現象。 

溫度差(以人造伸腿上沿為界)是造成碳化硅磚斷裂的主要原因。碳化硅磚雖然具有良好導熱的性能，較低的熱膨脹系數，但因制品經1450℃以上高溫燒成，形成六方結構陶瓷體，因此，耐熱振性和耐溫差性能差。在碳化硅磚上部和下部反復形成溫差的環境下，極易斷裂。 

當碳化硅復合層斷裂后，電解質浸入到裂縫中，當電解槽從效應溫度恢復到正常溫度時，縫中電解質凝固收縮，新的電解質進入裂縫中又凝固。當下一次效應時，浸入到裂縫中的固體電解質受熱膨脹頂起上部斷裂塊，待槽溫恢復正常時電解質又凝固收縮形成縫隙，然后又進入新的電解質再凝固。再來效應時，又膨脹將斷裂塊上頂，這樣反復作用，斷裂的上部逐漸上抬了。 

在電解鋁過程中，溫度接近1000℃，此時電解槽內襯的侵蝕主要分為3部分，靠近下方的金屬鋁熔體，中間部位的熔體電解質，以及上部分各種侵蝕性氣體(如HF、AINaF4等)。通常情況下在電解質.氧化鋁熔液中陽離子滲透以Na+礦為主，陰離子滲透以F-為主。 

氣孔率、基質相、潤濕性等各種因素都能夠影響耐火材料的抗侵蝕性。氣孔率高，孔徑大的材料其抗侵蝕性肯定差，因為冰晶石或者鋁液等能夠直接滲透到材料內部。肖亞明指出，熔融金屬對耐火材料的極限孔徑，鋼水30μm，鐵水5μm，鋁熔液為0.5μm，因此鋁液對材料的滲透能力相當強。基質相薄，抗侵蝕性好，但是強度會受到直接影響，基質相厚，則抗侵蝕性就差。如果材料與鋁液潤濕角大，則其抗侵蝕性能就優越。 

研究了各種結合相的SiC質材料抗電解質侵蝕的性能，結果表明除自結合SiC外，Si3N4結合SiC材料抗電解質性能最佳，盡管Si3N4結合相被熔體潤濕，但滲透很淺，也沒有分解。 

葛山等人的結果表明：Si3N4結合SiC制品在空氣部分的損壞主要是由于Si3N4和SiC氧化導致的：而在冰晶石電解質與空氣界面處，由于化學反應形成的氧化-侵蝕-滲透惡性循環使得侵蝕最為嚴重，電解質在金屬鋁液中的溶解和由于試樣本身結構中的氣孔可能是Si3N4結合SiC制品在金屬鋁液中發生侵蝕的主要原因。 

張麗鵬等人研究了不同氮化硅含量的氮化硅結合碳化硅耐火材料在冰晶石熔鹽中的侵蝕行為，得出腐蝕主要發生在25h前，25h后Si3N4/SiC材料增重率基本不變，低Si3N4含量(13%)的Si3NgSiC材料具有良好的抗冰晶石熔體腐蝕的性能。 

Etzion等人研究發現在鋁電解過程中，氣孔率和β-Si3N4的含量對Si3N4結合SiC耐火材料的抗侵蝕性有重要的影響。氣孔率越高或者β-Si3N4的含量越高則侵蝕就越嚴重。SiC骨料的量在80%~85%之間則抗侵蝕效果好。