一种耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀的试验装置及试验方法与流程

本发明属于耐火材料技术领域，主要涉及一种耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀的试验装置及试验方法。

背景技术：

我国是世界金属铝生产第一大国。工业上生产原铝普遍采用冰晶石-氧化铝熔盐电解炼铝法，电解过程在铝电解槽中进行。铝电解槽侧衬用耐火材料的抗冰晶石侵蚀性决定电解槽的使用寿命，关系到金属铝的生产成本。

铝电解槽的侧衬材料中，内层耐火材料在电解过程中直接与电解液接触。电解液的主要成分是冰晶石、氧化铝，此外还添加氟化铝、氟化钙等添加物。目前国内外提出的抗冰晶石侵蚀的检测方法大致分为固态冰晶石测试方法、熔融电解液测试方法和模拟电解槽测试方法三类。这些测试方法都是把试样和冰晶石直接接触，加热到一定温度，通过试样的质量、尺寸及渗透深度等因素来衡量铝电解槽的抗冰晶石侵蚀性能，反映了耐火材料抗冰晶石电解液侵蚀的能力。

而铝电解槽外层的耐火材料在使用过程中并不与电解液直接接触，其接触的主要是电解过程中产生的高温烟气，主要成分是氟化物、CO₂、CO、HF、SO₂等，通过内层耐火材料的缝隙扩散到外层。此外，外层耐火材料接触的气氛中还有从电解槽外壳进入的空气。其次，外侧耐火材料的使用温度比内侧耐火材料的使用温度低。因此，外层耐火材料与内层耐火材料在铝电解槽中的使用环境具有显著差异，若使用与内层材料同样的测试方法测试其抗冰晶石侵蚀性，测试环境与外层耐火材料的实际使用环境相差很大，不能体现耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀性能。由于电解液对耐火材料的侵蚀更严重，内层耐火材料对抗冰晶石侵蚀性要求更苛刻，对外层耐火材料使用抗冰晶石电解液侵蚀的检测方法是过于严格的检测方法。

目前国内外开展的耐火材料抗冰晶石侵蚀的研究工作均为材料与冰晶石熔融电解质接触的条件下进行，还没有关于耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀的试验方法及试验装置的报道。尤其是近年来，能源危机加剧，国家大力推行低温低电压铝电解新技术，使铝电解槽由散热型结构向保温型结构转变，铝电解槽陆续进行节能改造，在其外层加上一层保温材料。保温材料具有高气孔率、低热导率，若按照抗冰晶石电解液侵蚀的测试方法来进行测试，电解液很容易渗透进入保温材料内部，将其侵蚀熔解，这样就不能反映出保温材料在实际使用中的侵蚀变化过程。

因此，需要建立该类耐火材料的抗冰晶石烟气侵蚀试验方法及试验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀的试验方法及试验装置，使其能够较好的模拟耐火材料在铝电解槽外层使用的实际情况，气氛及试验温度可调控，操作方便，从而真实、直观地反映耐火材料在实际应用中的损毁情况，较为准确的评价耐火材料在应用过程中的抗冰晶石烟气侵蚀的性能，对于合理选用铝电解槽外层耐火材料具有重要的意义。

本发明为完成上述发明任务采用如下技术方案：

一种耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀的试验装置，所述的试验装置具有炉体；所述的炉体内设置有将其空腔分隔为上炉膛、下炉膛的隔热层；所述的上炉膛、下炉膛之间通过刚玉管相连通；所述的下炉膛内设置有坩埚Ⅱ，并在所述的坩埚Ⅱ内设置冰晶石电解质；所述的上炉膛内设置有坩埚Ⅰ，并在所述的坩埚Ⅰ内放置待测试样；所述的坩埚Ⅱ与配气柜相连通，用以通入试验气体；所述的坩埚Ⅰ上设置排气口，用以排出试验气体；对应所述的坩埚Ⅰ设置热电偶Ⅰ；所述的热电偶Ⅰ与仪表控制柜Ⅰ电连接；对应所述的下炉膛设置有热电偶Ⅱ；所述的热电偶Ⅱ与仪表控制柜Ⅱ电连接。

所述的坩埚Ⅰ内设置有用以放置待测试样的支撑板；所述的支撑板为平行设置的两块平板。

所述的支撑板采用铝电解槽侧壁用氮化硅结合碳化硅材料制成。所述的待测试样为圆盘形或长条形。

炉体的所述炉膛内设置有加热棒。

对应所述的坩埚Ⅱ设置有真空泵。

所述的配气柜与所述的坩埚Ⅱ之间设置水蒸汽发生器。

所述坩埚Ⅰ、坩埚Ⅱ、均采用铝电解槽侧壁用氮化硅结合碳化硅材料制成。

利用一种耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀的试验装置进行试验的方法，其具体步骤如下：

1）向坩埚Ⅱ中装入冰晶石电解质，将一个或多个待测试样放置在坩埚Ⅰ的支撑板上，并使待测试样位于冰晶石电解质的正上方；

2）密闭上炉膛、下炉膛，抽真空处理至炉膛内压强小于0.001MPa；无水蒸汽环境试验时，关闭水蒸汽发生器，关闭进水口，保持管道畅通，打开进气阀通入试验气体至0.11MPa~0.15MPa，持续通入试验气体，并打开排气阀，排出试验气体并对排出气体进行处理；水蒸汽环境试验时，打开水蒸汽发生器，连接进水口，保持管道畅通，调节通入水蒸汽速率，打开进气阀，通入试验气体至0.11MPa~0.15MPa，持续通入试验气体，并打开排气阀，排出试验气体并对排出气体进行处理；

3）分别控制坩埚Ⅰ内部和下炉膛的温度，使下炉膛的温度缓慢升温至900-1000℃，坩埚Ⅰ的温度升温至300℃-1000℃，保温一定时间，高温下冰晶石电解质挥发出的冰晶石烟气通过刚玉管对待测试样进行侵蚀；

4）抗侵蚀试验到达设定时间后，关闭炉膛加热系统，继续通入试验气体至炉膛温度达700℃以下，关闭进气阀和出气阀；

5）切断电源，待炉膛温度降至室温后，对炉膛内残余试验气体进行处理后，打开炉膛，取出试样；

6）评价对比试样抗侵蚀状况，通过检测物理化学性能和热导率的变化分析材料抗冰晶石烟气侵蚀性能。

所述的试验气体为Ar、O₂、CO、CO₂空气中的一种。

本发明提出的一种耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀的试验方法及试验装置，采用上述技术方案，模拟耐火材料在铝电解槽外侧使用的实际情况，气氛及试验温度均可调控，操作方便，能更真实、直观地反应耐火材料在实际应用中的损毁情况，而且可进行多组试样抗冰晶石烟气对比试验，从而评价耐火材料抗冰晶石烟气的侵蚀性能，分析其侵蚀机理，对于合理选用铝电解槽外层耐火材料具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中支撑板的结构示意图。

图3为本发明中长条状试样放置方式示意图。

图4为本发明中圆盘状试样放置方式示意图。

图中：1、仪表控制柜Ⅰ；2、仪表控制柜Ⅱ；3、热电偶Ⅰ；4、热电偶Ⅱ；5、加热棒；6、上炉膛；7、坩埚Ⅰ；8、待测试样；9、支撑板；10、隔热层；11、刚玉管；12、坩埚Ⅱ；13、冰晶石电解质；14、真空泵；15、水蒸气发生器；16、配气柜；17、排气孔；18、下炉膛Ⅱ，19、炉体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明加以详细描述：

如图1所示，一种耐火材料抗冰晶石烟气侵蚀的试验装置，所述的试验装置具有炉体19；所述的炉体19内设置有将其空腔分隔为上炉膛6、下炉膛18的隔热层10；所述的上炉膛6、下炉膛18之间通过刚玉管11相连通；所述的下炉膛18内设置有坩埚Ⅱ12，并在所述的坩埚Ⅱ12内设置冰晶石电解质13；所述的上炉膛6内设置有坩埚Ⅰ7，并在所述的坩埚Ⅰ7内放置待测试样8；所述的坩埚Ⅱ12与配气柜16相连通，用以通入试验气体；所述的坩埚Ⅰ7上设置排气口，用以排出试验气体；对应所述的坩埚Ⅰ7设置热电偶Ⅰ3；所述的热电偶Ⅰ3与仪表控制柜Ⅰ1电连接；对应所述的下炉膛18设置有热电偶Ⅱ4；所述的热电偶Ⅱ4与仪表控制柜Ⅱ2电连接。

所述的坩埚Ⅰ7内设置有用以放置待测试样的支撑板9；所述的支撑板9为平行设置的两块平板。

所述的支撑板9采用铝电解槽侧壁用氮化硅结合碳化硅材料制成。

所述的待测试样8为圆盘形或长条形。

炉体19的所述空腔内设置有加热棒5。

对应所述的坩埚Ⅱ12设置有真空泵14。

所述的配气柜16与所述的坩埚Ⅱ12之间设置水蒸汽发生器15。

所述坩埚Ⅰ7、坩埚Ⅱ12、均采用铝电解槽侧壁用氮化硅结合碳化硅材料制成。

实施例1：

设定试样抗侵蚀试验的温度为800℃，冰晶石电解质温度为1000℃。试验气氛为O₂。采用上述耐火材料抗冰晶石烟气的侵蚀装置进行抗侵蚀试验，探究硅酸铝纤维板在冰晶石烟气侵蚀后热导率的变化。具体试验方法如下：

1）将硅酸铝纤维板制成直径180mm，厚度20mm的圆盘试样，按照图4所示放置在支撑板上；

2）向坩埚12中盛装冰晶石电解质，该冰晶石电解质为冰晶石及氟化铝等助熔剂的混合粉体；

3）密闭炉膛，抽真空处理至炉膛内压强小于0.001MPa，关闭水蒸汽发生器，关闭进水口，保持管道畅通，打开进气阀通入O₂至0.11MPa左右，持续通入O₂并打开排气阀，将排出的气体处理；

4）设定上部分炉膛6试验温度为800℃并设定升温控温程序对其进行加热，设定下部分炉膛18试验温度为1000℃，为了保证冰晶石电解质完全熔融，设定其升温程序为3℃/min到800℃，800℃后以1℃/min升到1000℃，分别保温50h；

5）试验结束后，关闭炉膛加热系统，关闭进气阀和出气阀；

6）切断电源，待炉膛温度降至室温后，打开炉膛，取出试样；

7）测量试验侵蚀后热导率，对比分析试验抗冰晶石侵蚀状况。

实施例2：

以氮化硅结合碳化硅隔热材料代替蛭石板，有望提高铝电解槽用隔热材料的抗冰晶石侵蚀能力。希望通过抗侵蚀试验，对比分析两种材料的抗侵蚀能力。

设定试样抗侵蚀试验的温度为600℃，冰晶石电解质温度为1000℃。试验气氛为CO₂和CO混合气体。采用上述耐火材料抗冰晶石烟气的侵蚀装置进行抗侵蚀试验，探究氮化硅结合碳化硅隔热材料和蛭石板在冰晶石烟气侵蚀后性能的变化。具体试验方法如下：

1）将氮化硅结合碳化硅隔热材料和蛭石板制成横截面25×25mm，长为210mm的样条，各两个，按照图3所示放置在支撑板上；

2）向坩埚12中盛装冰晶石电解质，该冰晶石电解质为冰晶石及氟化铝等助熔剂的混合粉体；

3）密闭炉膛，抽真空处理至炉膛内压强小于0.001MPa，关闭水蒸汽发生器，关闭进水口，保持管道畅通，打开进气阀通入CO₂和CO混合气体至0.15MPa左右，持续通入CO₂和CO混合气体并打开排气阀，将排出的气体处理；

4）设定上部分炉膛6试验温度为600℃并设定升温控温程序对其进行加热，设定下部分炉膛18试验温度为1000℃，为了保证冰晶石电解质完全熔融，设定其升温程序为3℃/min到800℃，800℃后以1℃/min升到1000℃，分别保温50h；

5）试验结束后，关闭炉膛加热系统，关闭进气阀和出气阀；

6）切断电源，待炉膛温度降至室温后，打开炉膛，取出试样；

7）测量侵蚀后试样的耐压强度、线变化等性能变化，对比分析不同材料的抗冰晶石侵蚀性能。

实施例3：

在实际电解铝生产过程中，槽内冰晶石电解质挥发、分解，会产生大量冰晶石烟气，其中部分与原料中水分及大气水分在一定条件下反应生成HF气体，对材料造成严重侵蚀。采用抗冰晶石烟气侵蚀试验，用以探究在含水蒸汽的情况下耐火材料抗冰晶石烟气的侵蚀机理。

设定试样抗侵蚀试验的温度为600℃，冰晶石电解质温度为1000℃。试验气氛为水蒸气。采用上述耐火材料抗冰晶石烟气的侵蚀装置进行抗侵蚀试验，探究蛭石板在含有水蒸气的冰晶石烟气侵蚀后性能的变化。具体试验方法如下：

1）将蛭石板制成四个横截面25×25mm，长为210mm的样条，按照图3所示放置在支撑板上；

2）向坩埚12中盛装冰晶石电解质，该冰晶石电解质为冰晶石及氟化铝等助熔剂的混合粉体；

3）密闭炉膛，抽真空处理至炉膛内压强小于0.001MPa，将水蒸气发生器打开，打开进水口，保持管道畅通，调节通入水蒸气速率，打开进气阀，通入保护气体Ar气至0.13MPa左右，持续通入Ar气并打开排气阀，将排出的气体处理；

4）设定上部分炉膛6试验温度为600℃并设定升温控温程序对其进行加热，设定下部分炉膛18试验温度为1000℃，为了保证冰晶石电解质完全熔融，设定升温程序为3℃/min到800℃，800℃后以1℃/min升到1000℃，保温25h；

5）试验结束后，关闭炉膛加热系统，关闭进气阀和出气阀；

6）切断电源，待炉膛温度降至室温后，打开炉膛，取出试样；

7）检测侵蚀前后试样的物相、微观形貌等变化；

8）重复试验，保温时间延长为50h和75h。检测侵蚀前后试样的物相、微观形貌等变化，分析其抗含水蒸汽的冰晶石烟气的侵蚀机理。