Produzione di alluminio primario

Le pareti frontali del forno sono esposte a temperature elevate, in particolare durante il trasferimento del calore dai canali di combustione e nel corso del ciclo di cottura. In questa zona si osservano forti tensioni termiche e un elevato rischio di fessurazioni dovute alle differenze di temperatura tra l’interno del forno e l’ambiente esterno. I materiali utilizzati in quest’area devono garantire stabilità strutturale, un’elevata resistenza agli shock termici e una ridotta capacità di accumulo di composti di sodio e fluoro.

I canali di combustione rappresentano la parte del forno maggiormente sollecitata dal punto di vista termico. All’interno di questi canali fluiscono gas caldi e fiamme che trasferiscono calore alle camere di cottura. Si verifica una forte infiltrazione di gas reattivi provenienti dal materiale anodico, con conseguente formazione di una fase vetrosa di degradazione. Il rivestimento refrattario deve garantire bassa porosità, resistenza alla penetrazione dei vapori di sodio e dei fluoruri, nonché una stabilità dimensionale a lungo termine in condizioni di alta temperatura e carichi termici variabili.

Il fondo del forno è responsabile del sostegno del carico e del materiale di riempimento. Quest’area è soggetta a un’esposizione termica prolungata, al contatto con composti volatili organici e inorganici, nonché alla possibile accumulazione di condensati e contaminanti. I materiali impiegati in questa zona devono essere caratterizzati da un’elevata resistenza al creep e da buone proprietà di isolamento termico.

Lo strato superiore del rivestimento ha il compito di garantire la protezione termica della zona di cottura e di minimizzare le perdite energetiche. Svolge inoltre una funzione operativa all’interno del sistema di combustione del forno. A causa della presenza dei bruciatori, in questa zona possono verificarsi surriscaldamenti locali e shock termici. I materiali utilizzati devono presentare bassa dilatazione termica, resistenza ai cicli di riscaldamento e raffreddamento e una ridotta conducibilità termica.

Le pareti di testa sono situate alle estremità delle camere di cottura e svolgono la funzione di elementi strutturali di chiusura del sistema. Sono esposte ad alte temperature, a carichi termici variabili e a sollecitazioni meccaniche derivanti dalla dilatazione termica dell’intera struttura. In questa zona i materiali devono garantire resistenza agli shock termici, stabilità dimensionale e durabilità durante il funzionamento prolungato ad alta temperatura.

I canali di riscaldamento rappresentano l’elemento chiave responsabile del trasferimento del calore al carico. I materiali impiegati in questa zona devono essere caratterizzati da una buona resistenza al creep ad alta temperatura e alle deformazioni, nonché da un’elevata resistenza alle variazioni termiche.

Il fondo del forno è sottoposto a elevati carichi meccanici derivanti dal carico, oltre che all’azione della temperatura di processo. Inoltre, in quest’area può verificarsi il deposito di composti minerali e contaminanti provenienti dal materiale di riempimento. Il rivestimento refrattario in questa zona deve garantire un’elevata resistenza a compressione e all’abrasione, mantenendo al contempo una bassa assorbibilità, al fine di prevenire la degradazione nel lungo periodo di esercizio.

I canali dei gas di scarico sono responsabili dell’evacuazione dei gas generati durante il processo di cottura dei blocchi di carbonio. A causa del contatto con una miscela di gas combusti, in questa zona possono verificarsi fenomeni di corrosione, condensazione di componenti aggressivi e variazioni volumetriche del materiale refrattario. I materiali utilizzati devono presentare resistenza ai gas di processo aggressivi, stabilità chimica e tenuta, limitando la penetrazione dei contaminanti nella struttura del forno.

Lo strato barriera è posizionato sotto gli elettrodi di carbonio (catodi) e la sua funzione principale è impedire la penetrazione del bagno elettrolitico negli strati isolanti sottostanti. I materiali refrattari utilizzati in questa zona devono garantire tenuta, nonché resistenza chimica all’alluminio fuso e ai composti di sodio e fluoro. La resistenza alla penetrazione del bagno e del metallo fuso è particolarmente critica, poiché la loro infiltrazione negli strati più profondi può portare a fenomeni di erosione, perdita delle proprietà isolanti e, di conseguenza, alla riduzione della vita utile della cella elettrolitica.

La funzione principale dello strato isolante è limitare il flusso di calore che si disperde dalla cella elettrolitica e mantenere condizioni termiche stabili del processo.

Lo strato di lavoro è a diretto contatto con l’alluminio fuso ed è l’elemento maggiormente sollecitato del rivestimento. È esposto all’azione intensa del metallo, al possibile contatto con ossidi e a surriscaldamenti locali, in particolare in prossimità delle pareti e della zona di spillaggio. Un rischio frequente è la penetrazione dell’alluminio fuso nella struttura del materiale refrattario, che può causare indebolimento, delaminazioni o fessurazioni. I materiali utilizzati in questo strato devono presentare un’elevata resistenza alla corrosione metallica, un basso coefficiente di bagnabilità e un’ottima resistenza agli shock termici. Sono raccomandati materiali a bassa porosità e ad elevata purezza chimica.

Questo strato separa il rivestimento di lavoro dal mantello esterno in acciaio della siviera. La sua funzione principale è ridurre al minimo le perdite di calore durante il trasporto del metallo fuso. Allo stesso tempo, svolge una funzione compensativa durante i cicli termici, limitando le tensioni nella struttura del rivestimento. In questa zona vengono generalmente impiegati materiali refrattari leggeri o pannelli isolanti, che devono garantire una bassa conducibilità termica, resistenza ai cicli di riscaldamento e un’adeguata resistenza meccanica a fronte di una bassa densità apparente.