CN102267815B - 一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。其技术方案是：以60～72wt％的刚玉颗粒、22～35wt％的镁铝尖晶石细粉和2～10wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加0.5～4.0wt％的TiO2微粉和0.5～2.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在400～600℃条件下处理4～8h，然后在1350～1650℃的条件下烧成，保温3～6h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。本发明所制备的铝电解槽的侧壁用耐火材料具有优良的抗氧化性能和抗电解质侵蚀性能的特点。

Description

一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。
背景技术
传统铝电解槽采用炭素材料作为阴极和阳极，电解炼铝时发生的反应为：2Al2O3+3C＝4Al+3CO2，反应过程放出大量的温室气体CO2和热量。传统铝电解槽的侧壁采用导热率很高的Si3N4-SiC砖砌筑，大量的热通过该侧壁耗散，保证了槽温的恒定。此外，在热量快速耗散过程中，侧壁材料表面会有一层凝固的电解质(炉帮)形成。在炉帮的保护下，Si3N4-SiC侧壁材料不会同熔融电解质和空气直接接触，因此取得了较好的使用效果。
基于惰性电极的电解炼铝新工艺可降低能耗20％以上，且在阳极处发出的气体是O2，可以基本消除有害气体的释放。新工艺电解时铝电解槽内发生的反应为：2Al2O3＝4Al+3O2，该反应不会放出大量的热。为了维持槽内温度，需要在侧壁材料外面加入隔热保温材料。因此，热量耗散的较慢，侧壁材料表面不能形成保护侧壁材料的炉帮，导致Si3N4-SiC侧壁材料会直接与熔融电解质和氧化性气体接触。由于Si3N4-SiC侧壁材料抗氧化能力较差，在没有炉帮保护的情况下，会被阳极放出的活性很高的O2氧化；此外，Si3N4-SiC侧壁材料也易于和直接接触的高温熔融电解质反应生成SiF4气体，从而导致侧壁材料的严重损坏。
由上述可知，Si3N4-SiC侧壁材料由于抗氧化性和抗电解质侵蚀性能较差，已不能满足新电解工艺条件下电解槽内的稳定维持，制约了基于惰性电极的铝电解新工艺的成功应用。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种高温条件下抗电解质侵蚀性能和抗氧化性能优良的铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：以60～72wt％的刚玉颗粒、22～35wt％的镁铝尖晶石细粉和2～10wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加0.5～4.0wt％的TiO2微粉和0.5～2.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在400～600℃条件下处理4～8h，然后在1350～1650℃的条件下烧成，保温3～6h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
上述技术方案中：刚玉颗粒或为电熔刚玉、或为烧结刚玉、或为电熔刚玉和烧结刚玉的混合物；刚玉的颗粒级配是：粒径5～3mm为55～65wt％，粒径3～1mm为10～25wt％，粒径1～0.1mm为15～30wt％；镁铝尖晶石细粉的平均粒径为20μm～45μm；α-Al2O3微粉的平均粒径为1.5～3μm；TiO2微粉的平均粒径为1～2μm。
由于采用上述技术方案，本发明制备的铝电解槽的侧壁用耐火材料的主要化学成分是氧化铝和镁铝尖晶石，800℃时导热系数为2.0～3.0w/(m.k)。由于氧化铝和镁铝尖晶石在高温条件下不会和氧气发生化学反应，所以具有很好的抗氧化性能。另由于氧化铝在电解炼铝工作条件下不会和电解质发生明显化学反应，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀。此外，铝电解槽的侧壁用耐火材料在高温烧结时TiO2微粉会和镁铝尖晶石细粉反应生成液态的化合物，液相的生成促进了材料的烧结。体积密度为2.8～3.6g/cm3，显气孔率为3～15％。
因此，本发明所制备的铝电解槽的侧壁用耐火材料具有优良的抗氧化性能和抗电解质侵蚀性能的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的原料技术参数统一描述如下，具体实施例中不再赘述：刚玉的颗粒级配是：粒径5～3mm为55～65wt％，粒径3～1mm为10～25wt％，粒径1～0.1mm为15～30wt％；镁铝尖晶石细粉的平均粒径为20μm～45μm；α-Al2O3微粉的平均粒径为1.5～3μm；TiO2微粉的平均粒径为1～2μm。
实施例1
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以60～63wt％的电熔刚玉颗粒、32～35wt％的镁铝尖晶石细粉和2～6wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加0.5～1.5wt％的TiO2微粉和0.5～1.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在400～450℃条件下处理4～5h，然后在1350～1400℃的条件下烧成，保温3～4h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例1所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为2.8～3.0g/cm3，显气孔率为12～15％，烧后耐压强度为150～160MPa，800℃时导热系数为2.0～2.2w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1～1.2年。
实施例2
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以63～66wt％的电熔刚玉颗粒、29～32wt％的镁铝尖晶石细粉和2～6wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加1.5～2.5wt％的TiO2微粉和1.0～1.5wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在450～500℃条件下处理5～6h，然后在1400～1450℃的条件下烧成，保温4～5h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例2所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.0～3.2g/cm3，显气孔率为10～13％，烧后耐压强度为160～170MPa，800℃时导热系数为2.2～2.4w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.2～1.4年。
实施例3：
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以66～69wt％的电熔刚玉颗粒、26～29wt％的镁铝尖晶石细粉和2～6wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加2.5～3.5wt％的TiO2微粉和1.5～2.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在500～550℃条件下处理6～7h，然后在1450～1500℃的条件下烧成，保温5～6h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例3所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.2～3.4g/cm3，显气孔率为7～10％，烧后耐压强度为170～180MPa，800℃时导热系数为2.4～2.6w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.4～1.6年。
实施例4
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以69～72wt％的电熔刚玉颗粒、23～26wt％的镁铝尖晶石细粉和2～6wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加3.0～4.0wt％的TiO2微粉和0.5～1.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在550～600℃条件下处理7～8h，然后在1500～1550℃的条件下烧成，保温3～4h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例4所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.4～3.6g/cm3，显气孔率为5～8％，烧后耐压强度为180～190MPa，800℃时导热系数为2.6～2.8w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.6～1.8年。
实施例5
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以60～63wt％的烧结刚玉颗粒、28～32wt％的镁铝尖晶石细粉和5～9wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加1.0～2.0wt％的TiO2微粉和0.5～1.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在400～450℃条件下处理4～5h，然后在1550～1600℃的条件下烧成，保温4～5h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例5所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.4～3.6g/cm3，显气孔率为3～6％，烧后耐压强度为190～200MPa，800℃时导热系数为2.8～3.0w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.8～2.0年。
实施例6
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以63～66wt％的烧结刚玉颗粒、25～29wt％的镁铝尖晶石细粉和5～9wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加2.0～3.0wt％的TiO2微粉和1.0～1.5wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在400～450℃条件下处理5～6h，然后在1400～1450℃的条件下烧成，保温5～6h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例6所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.0～3.2g/cm3，显气孔率为9～12％，烧后耐压强度为165～175MPa，800℃时导热系数为2.3～2.5w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.5～1.7年。
实施例7
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以66～69wt％的烧结刚玉颗粒、22～26wt％的镁铝尖晶石细粉和5～9wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加3.0～4.0wt％的TiO2微粉和1.0～1.5wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在450～500℃条件下处理6～7h，然后在1450～1500℃的条件下烧成，保温3～4h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例7所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.2～3.4g/cm3，显气孔率为6～9％，烧后耐压强度为175～185MPa，800℃时导热系数为2.5～2.7w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.7～1.9年。
实施例8
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以60～63wt％的烧结刚玉颗粒、27～31wt％的镁铝尖晶石细粉和7～10wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加3.0～4.0wt％的TiO2微粉和1.5～2.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在450～500℃条件下处理4～5h，然后在1500～1550℃的条件下烧成，保温4～5h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例8所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.2～3.4g/cm3，显气孔率为4～7％，烧后耐压强度为185～195MPa，800℃时导热系数为2.7～2.9w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.6～1.8年。
实施例9
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以63～66wt％的电熔刚玉和烧结刚玉颗粒的混合物、24～28wt％的镁铝尖晶石细粉和7～10wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加3.0～4.0wt％的TiO2微粉和1.0～1.5wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在500～550℃条件下处理7～8h，然后在1550～1600℃的条件下烧成，保温5～6h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例9所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.4～3.6g/cm3，显气孔率为5～8％，烧后耐压强度为190～200MPa，800℃时导热系数为2.8～3.0w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.8～2.0年。
实施例10
一种铝电解槽的侧壁用耐火材料及其制备方法。以66～66wt％的电熔刚玉和烧结刚玉颗粒的混合物、21～25wt％的镁铝尖晶石细粉和7～10wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加3.0～4.0wt％的TiO2微粉和1.5～2.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在550～600℃条件下处理6～7h，然后在1600～1650℃的条件下烧成，保温4～5h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
本实施例10所制得的铝电解槽用新型侧壁材料的体积密度为3.4～3.6g/cm3，显气孔率为3～6％，烧后耐压强度为190～200MPa，800℃时导热系数为2.7～2.9w/(m.k)，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀1.7～1.9年。
本具体实施方式制备的铝电解槽的侧壁用耐火材料的主要化学成分是氧化铝和镁铝尖晶石，800℃时导热系数为2.0～3.0w/(m.k)。由于氧化铝和镁铝尖晶石在高温条件下不会和氧气发生化学反应，所以具有很好的抗氧化性能。另由于氧化铝在电解炼铝工作条件下不会和电解质发生明显化学反应，能有效抵挡电解质对材料的的渗透和侵蚀。此外，铝电解槽的侧壁用耐火材料在高温烧结时TiO2微粉会和镁铝尖晶石细粉反应生成液态的化合物，液相的生成促进了材料的烧结。体积密度为2.8～3.6g/cm3，显气孔率为3～15％。
因此，本具体实施方式所制备的铝电解槽的侧壁用耐火材料具有优良的抗氧化性能和抗电解质侵蚀性能的特点。

Claims (6)

1.一种铝电解槽的侧壁用耐火材料的制备方法，其特征在于以60～72wt％的刚玉颗粒、22～35wt％的镁铝尖晶石细粉和2～10wt％的α-Al2O3微粉为原料，外加0.5～4.0wt％的TiO2微粉和0.5～2.0wt％的聚乙烯醇，混合均匀，压制成型，在400～600℃条件下处理4～8h，然后在1350～1650℃的条件下烧成，保温3～6h，即得铝电解槽的侧壁用耐火材料。
2.根据权利要求1所述的铝电解槽的侧壁用耐火材料的制备方法，其特征在于所述的刚玉颗粒或为电熔刚玉、或为烧结刚玉、或为电熔刚玉和烧结刚玉的混合物；刚玉的颗粒级配是：粒径5～3mm的为55～65wt％，3～1mm的为10～25wt％，1～0.1mm的为15～30wt％。
3.根据权利要求1所述的铝电解槽的侧壁用耐火材料的制备方法，其特征在于所述的镁铝尖晶石细粉的平均粒径为20μm～45μm。
4.根据权利要求1所述的铝电解槽的侧壁用耐火材料的制备方法，其特征在于所述的α-Al2O3微粉的平均粒径为1.5～3μm。
5.根据权利要求1所述的铝电解槽的侧壁用耐火材料的制备方法，其特征在于所述的 TiO2微粉的平均粒径为1～2μm。
6.根据权利要求1～5项中任一项所述的铝电解槽的侧壁用耐火材料的制备方法所制备的铝电解槽的侧壁用耐火材料。 
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