在長(zhǎng)期的工作過程中，熔鋁爐的內(nèi)襯材料發(fā)生侵蝕失效，熔鋁爐中耐火材料的毀壞主要為鋁熔融液對(duì)耐火材料的滲透和滲透進(jìn)耐火材料的鋁液與耐火材料基體發(fā)生反應(yīng)。

對(duì)耐火材料的滲透主要是熔鋁爐耐火材料在使用過程中，熔融鋁液可以沿其氣孔與裂紋等毛細(xì)管道深入到耐火材料內(nèi)部并與之發(fā)生反應(yīng)，形成與原來耐火材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同的變質(zhì)層，在生產(chǎn)變質(zhì)層過程中有體積變化在耐火材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，且變質(zhì)層與耐火材料基體本身的熱膨脹系數(shù)不同。而熔鋁爐溫不恒定，爐子不斷重復(fù)“加料-熔化-出爐”的作業(yè)過程，熔鋁爐爐襯承受很大的熱應(yīng)力，在投料過程中，耐火材料表面溫度會(huì)突然下降使耐火材料表面有輕微的收縮，耐火材料內(nèi)部將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力面，變質(zhì)層開裂剝落露出與鋁和鋁合金熔融液接觸的新表面，而這層新表面比之前有更大的裂紋，鋁和鋁合金熔融液往耐火材料內(nèi)部滲透得更加深，變質(zhì)層更加厚，結(jié)構(gòu)剝落也更加厚，如此造成一個(gè)惡性循環(huán)過程加速了耐火材料的損毀，而且熔融鋁液在熔鋁爐中翻騰，對(duì)爐襯有一個(gè)很強(qiáng)的沖刷，這祥加速了爐襯材料的剝落。鋁和鋁合金熔融液深入耐火材料內(nèi)部深度D可以由以下公式來計(jì)算：

式中：γ為耐火材料孔隙半徑;σ為熔融鋁液的表面張力;θ為鋁熔融液在耐火材料上的潤(rùn)濕角，當(dāng)接觸時(shí)為θ>90℃不浸潤(rùn)，cos<0，鋁熔融液不能深入到耐到耐火材料中;η為熔體粘度;τ為時(shí)間。耐火可以看出，影響鋁熔融液對(duì)耐火材料的滲透因素有耐火材料的孔隙半徑、鋁熔融液的表面張力、鋁熔融液在耐火材料上的潤(rùn)濕角、鋁鋁熔融液的粘度和熔融時(shí)間。圖1-1為鋁在耐火材料中的潤(rùn)濕角。

耐火材料熔鋁爐中雖然鋁液的溫度只有700~900℃，但在800~900℃之間鋁熔融液對(duì)鋁熔融液對(duì)耐火材料是浸潤(rùn)狀態(tài)，且鋁液在此溫度區(qū)間粘度很低，在750℃時(shí)僅有0.104Pa·S，與20℃時(shí)水的粘度相當(dāng)，很容易滲入到耐火材料內(nèi)部。此外熔鋁爐中還存在一定的鋁蒸汽，特別是熔煉鎂鋁鋅合金時(shí)鎂、鋅蒸氣壓還大很多，這些蒸氣比熔融狀液體更容易滲透進(jìn)耐火材料內(nèi)襯中。減少熔融鋁液在耐火材料中的滲透可以通過減小耐火材料孔隙半徑、在耐火材料中添加抗鋁浸潤(rùn)的組元、降低熔鋁溫度、減少熔煉的時(shí)間。表1-2為Al-Mg-Zn蒸氣壓比較。目前用得較多的抗鋁浸潤(rùn)組元有BaSO4、CaF2、SrSO4、Alf3、SiC、Si3N4、SiON2、AlN、B4C。

熔融鋁液與耐火材料基體反應(yīng)主要是在耐火材料基體中含有SiO2、MgO、FeO等氧化物，這些氧化物極易與熔體鋁發(fā)生氧化還原反應(yīng)，特別是當(dāng)熔煉的為合金成分如鎂鋁合金、鎂鋅合金等，氧化還原反應(yīng)將更加強(qiáng)烈，這些反應(yīng)都伴隨著大量的能量釋放，產(chǎn)生局部額外過熱并伴隨著體積的變化;

表2列出常見耐火材料的氧化物和熔融鋁液之間反應(yīng)的Gibbs自由能。由表可以看出，熔融鋁液在700℃時(shí)與耐火材料中常見組分有很大的反應(yīng)趨勢(shì)。這也為尋求在熔鋁爐中能長(zhǎng)期工作的耐火材料提供了依據(jù)。

表2 常見耐火材料的氧化物和熔融鋁液之間反應(yīng)Gibbs自由能

圖2為熔鋁爐中熔融鋁液接觸耐火材料腐蝕損耗機(jī)制圖，熔鋁爐中耐火材料鋁溶液能夠滲透到耐火材料的影響層和未改變的耐火材料層，在影響層中，鋁熔融液滲透在里面，與耐火材料基體發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)剛玉造成耐火材料的損耗，特別提出，最嚴(yán)重的反應(yīng)發(fā)生在熔融鋁液、耐火材料和空氣接觸的三相點(diǎn)，在這個(gè)位置蘑菇狀剛玉結(jié)構(gòu)貼著耐火材料生長(zhǎng)，這將在耐火材料表面產(chǎn)生很大的應(yīng)力并引起耐火材料的裂開造成表面通往內(nèi)部的裂紋。如果在其空爐或者氬氣氣氛爐中，這種蘑菇狀剛玉是不會(huì)出現(xiàn)的，但是在實(shí)際操作過程中這是不可能實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)蘑菇狀剛玉結(jié)構(gòu)中除了氧化鋁和鋁之外還含有少量的硅，硅是熔融鋁液與耐火材料含硅的基體發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成的，通過擴(kuò)散進(jìn)入到蘑菇狀結(jié)構(gòu)中，所以蘑菇狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的硅溶度會(huì)大于與耐火材料接觸面臨近部位的濃度。如果熔鋁爐熔煉的是鎂合金，在蘑菇狀結(jié)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)氧化鎂-氧化鋁成分。蘑菇狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很高，非常難以去除。除損傷爐體本身外還減少了爐子的內(nèi)部體積。減少熔融鋁液與耐火材料基體的反應(yīng)可以通過調(diào)整耐火材料的組成成分，降低組元中SiO2、Fe2O3、ZrSiO4、ZrO2等的含量。