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摘要:在工業鋁電解槽上，防滲材料的性能直接影響鋁電解的經濟技術指標和槽壽命。本文通過對國內鋁電解槽用防滲材料的抗電解質侵蝕性能、導熱系數等方面做了一些嘗試性研究，對防滲材料的性能進行評估，為電解鋁企業進一步了解我國鋁電解槽用防滲材料性能提供依據。

關鍵詞:鋁電解;防滲材料;抗電解質侵蝕

鋁電解槽用防滲材料的主要作用是阻止電解質和鋁液滲漏到爐底保溫中，破壞保溫材料性能，改變電解槽的能量平衡，影響鋁電解的經濟技術指標和槽壽命。理想的防滲材料能在電解質侵蝕時與其反應形成良好防滲阻擋層，且防滲阻擋層不隨時間的延長發生變化和消耗。上世紀90年代問世的干式防滲料及近年市場上出現了蛭石防滲磚均具有上述功能，但目前市場上干式防滲料和蛭石防滲磚品種很多，產品性能也各不相同，本文對國內鋁電解槽用防滲材料的抗電解質侵蝕性能、導熱系數、顯氣孔率等方面做了一些嘗試性研究，為電解鋁企業進一步了解我國鋁電解槽用防滲材料性能提供依據。

1實驗

1.1試驗原料

電解質為工業槽取電解質，分子比為2.48，初晶溫度為937℃;實驗用A1、A2、A3三種蛭石防滲磚和B1、B2兩種干式防滲料分別取自不同電解鋁廠筑爐用大修材料，及中鋁鄭州研究院的BF－2型干式防滲料。

1.2試驗方法

1.2.1抗侵蝕試驗在蛭石防滲磚中線處掏一直徑50.0mm，高度50.0mm的圓柱形凹槽，加入150g電解質粉于該凹槽內，加剛玉蓋密封;干式防滲料則放入石墨坩堝中振實后加入150g電解質粉，外部用石油焦密封，隔絕空氣防止石墨坩堝高溫氧化。將上述試樣放入試驗爐中，90min升溫至960℃，并保溫96小時后自然冷卻。1.2.2導熱系數采用水流量平板法導熱系數測試儀測量導熱系數，測量溫度熱面為400℃、600℃、800℃，每個溫度測試三次，取平均值。其中干式防滲料為不定型材料，先按YS/T456－2014測其搗實密度，測導熱系數時需將試樣壓實到搗實密度下進行檢測。1.2.3其他指標導熱系數檢測參考標準GB/T21114－2007;耐壓強度檢測參考標準GB/T5072－2008;顯氣孔率和體積密度檢測參考標準GB/T2997－2000;化學成分檢測參考標準GB/T21114－2007。

2結果與討論

2.1蛭石防滲磚的測定結果與討論

2.1.1抗電解質侵蝕實驗在實驗條件下，對蛭石防滲磚進行了兩次抗電解質侵蝕平行試驗，圖2、圖3分別為兩次實驗后蛭石防滲磚的剖面圖，由圖2和圖3可見兩批次蛭石防滲磚顏色上有一定的差異，這可能是原料中Fe等微量元素含量不同導致的，但是防滲實驗效果重現性良好，且都反映出A3蛭石防滲磚防滲效果欠佳，沒有形成防滲層，側部和下部都發生了滲漏，且可以看明顯的侵蝕后的孔洞。A1、A2兩種蛭石防滲磚防滲效果較好，底部明顯形成了一層致密的黑色防滲層，電解質沒有下漏，但是測壁有被侵蝕變寬。其中，A1主要在電解質界面位置明顯侵蝕凹槽半徑突然變大;A2側部受電解質侵蝕凹槽半徑整體變大在電解槽界面位置達到最大值。表1為實驗前后蛭石防滲磚凹槽尺寸變化情況，通過表1可以看出A3發生滲漏，無防滲作用。A1、A2底部侵蝕厚度基本一致為2～3mm，A1側部被電解質侵蝕厚度最大12mm，A2側部被電解質侵蝕厚度最大16mm，總體來看A1的防滲效果較好。同時，也可以看出在電解質、空氣和防滲磚接觸的界面處侵蝕最嚴重。2.1.2導熱系數及其他指標測定實驗在試驗條件下，對蛭石防滲磚的導熱系數及其他指標進行測定，結果見表2所示。根據NaF與SiO2、Al2O3反應生成霞石或鈉長石阻止電解質的繼續滲透的機理，由方程式(1)［1］可知需SiO2和Al2O3的質量比為2.65，與A1和A2的成分比例相近。由表2可以看出，A1、A2樣品的SiO2含量、Al2O3含量基本一致，且與A3有較大差異，說明化學成分對蛭石防滲磚的防滲性能有直接影響［2］。6NaF+2A12O3+9SiO2=Na3A1F6+3NaAlSi3O8(1)另，體積密度、耐壓強度和同一溫度下的導熱系數均是A2＜A1＜A3，說明體積密度、耐壓強度和導熱系數三者之間存在正相關性。

2.2干式防滲料的測定結果與討論

2.2.1導熱系數及其他指標測定實驗在實驗條件下，對干式防滲料的導熱系數及密度進行了測定。發現干式防滲料的導熱系數重復測定時波動較大［3］，但是總體隨著溫度的升高而增大，表3測定結果均為三次測量數據的平均值，由表3可以看出導熱系數隨著測試時搗實密度的增大導熱系數也隨之增大。2.2．2抗電解質侵蝕實驗對于干式防滲料的抗電解質侵蝕能力，有以反應質量計算的［4～5］，該方法存在反應后生成的黑色霞石層和下層防滲料難剝離的問題;有以侵蝕高度計算的［6］，該方法存在反應后的高度不是一個平面的問題，分析認為出現該情況的可能原因是:干防滲料是不定型材料，試樣的粒徑等級也不一樣，石墨坩堝內搗實時不能達到均勻一致，在進行防滲實驗時干式防滲料與電解質反應甚至干式防滲料顆粒被電解質侵蝕上浮到電解質中，使反應面不在一個平面上。在工業電解槽上，干式防滲料和電解質中間隔著陰極炭塊，不可能出現干式防滲料上浮到電解質中的情況，而影響反應深度的情況。本實驗提出以防滲實驗時生成的最大阻擋層厚度的方式來判定干式防滲料的抗電解質侵蝕能力可行性。在實驗條件下，對干式防滲料進行了抗電解質侵蝕試驗，表4為三種干式防滲料防滲實驗測定數據表。由表4可以看出B1全部反應無防滲效果，B2和BF－2形成了防滲阻擋層，B2和BF－2的反應深度分別為15mm和6mm，而其最大反應層厚度分別為11mm和3mm，最大反應層厚度和反應深度存正相關性，可以較好的反應干式防滲料的防滲性能，且最大反應層厚度易于測量，將其作為表征防滲料的防滲性能的依據有較高的可行性。圖4為實驗后干式防滲料的剖面圖，造成B1、B2、BF－2三種防滲料防滲性能差異的主要原因有:生產防滲料的原料差異，不同原料其化學成分和真密度不同，直接影響防滲料的防滲性能;防滲料的粒極配比不同，直接影響防滲料的振實密度及孔隙度，進而影響防滲料的防滲性能;防滲料中的添加劑種類及參配比例不同，合適的添加劑具有增大防滲料振實密度和增強防滲料防滲性能的作用。另，由圖4可以看出在坩堝邊緣，防滲料和黑色霞石層結合部位，霞石層明顯變厚且較為疏松［7］，這主要是在制樣時坩堝內有空氣殘留，隨著溫度的升高，坩堝壁出現了輕微的氧化，給了電解質向下滲透的通道，使得該位置出現上述現象。

3結論

(1)蛭石防滲磚的抗電解質侵蝕能力與化學成分有直接關系，且形成黑色防滲層的蛭石防滲磚其防滲實驗后向底部反應深度較低僅為2～3mm，但是向側部侵蝕厚度較大。(2)干式防滲料的抗電解質侵蝕能力用防滲實驗后生成的反應層厚度表征有較高的可行性。(3)用石墨坩堝做干式防滲料抗電解質侵蝕能力實驗時，存在邊緣氧化而電解質向下滲透的情況，不應采用邊緣的防滲阻擋層厚度來表征干式防滲料的抗電解質侵蝕能力。

參考文獻:

［2］章藝．耐火材料抗熔融冰晶石電解液侵蝕檢測方法的研究［D］．天津:天津大學，2008:25－27．

［3］劉世英，石忠寧，任必軍，等．鋁電解槽用干防滲料的導熱性與抗滲性［J］．中國有色金屬學報，2006(9):1641－1645．

［4］趙建立．鋁電解槽用于式防滲料檢測方法的研究［D］．西安:西安建筑科技大學，2003:39－44．

［5］YS/T456－2003，鋁電解槽用干式防滲料［S］．

［6］張宏，干益人．鋁電解槽用于式防滲保溫料的研制和應用［C］．第三屆國際耐火材料學術會議論文集．1998:180－185．

［7］劉世英．鋁電解槽內襯材料的導熱性及滲透性研究［D］．沈陽:東北大學，2007:28－30．

作者：汪艷芳 柴登鵬 張亞楠 張芬萍 單位：中國鋁業鄭州有色金屬研究院有限公司