Produkcja pierwotnego aluminium

Ściany czołowe pieca narażone są na działanie wysokiej temperatury, zwłaszcza w czasie rozpływu ciepła z kanałów ogniowych oraz podczas cyklu wypalania. W tej strefie obserwuje się silne naprężenia termiczne i ryzyko spękań wynikających z różnicy temperatur pomiędzy wnętrzem a otoczeniem. Materiały stosowane w tym obszarze powinny wykazywać stabilność strukturalną, wysoką odporność na szoki cieplne oraz ograniczoną zdolność do akumulacji związków sodu i fluoru.

Kanały ogniowe to najbardziej obciążona termicznie część pieca. W ich wnętrzu następuje przepływ gorących gazów i płomienia, które przenoszą ciepło do komór wypałowych. Dochodzi tu do silnej infiltracji gazów reaktywnych z materiału anod i tworzenia się szklistej fazy degradacyjnej. Wymurówka powinna zapewniać niską porowatość, odporność na penetrację par sodu i fluorowców, a także długotrwałą stabilność wymiarową w warunkach wysokiej temperatury i zmiennych obciążeń cieplnych.

Dno pieca odpowiada za przenoszenie ciężaru wsadu oraz materiału wypełniającego. Obszar ten narażony jest na długotrwałe oddziaływanie ciepła, kontakt z lotnymi związkami organicznymi i nieorganicznymi oraz możliwość gromadzenia się kondensatów i zanieczyszczeń. Zastosowane materiały powinny charakteryzować się odpornością na pełzanie i dobrą izolacyjnością cieplną.

Górna warstwa wyłożenia ma za zadanie ochronę termiczną strefy wypalania oraz minimalizację strat energii. Pełni ona też rolę funkcjonalną dla systemu opalania pieca. W związku z obecnością palników występują tu lokalne przegrzania i szoki cieplne. Materiały użyte w tym obszarze powinny posiadać niską rozszerzalność cieplną, odporność na cykle nagrzewania i chłodzenia oraz niskie przewodnictwo cieplne.

Ściany głowicowe znajdują się na krańcach komór wypalających i pełnią funkcję elementów konstrukcyjnych zamykających układ. Narażone są na oddziaływanie wysokiej temperatury, zmienne obciążenia cieplne oraz naprężenia mechaniczne wynikające z rozszerzalności cieplnej całego systemu. W tej strefie materiały powinny zapewniać odporność na szoki termiczne, stabilność wymiarową oraz zachowanie trwałości przy długotrwałym nagrzewaniu.

Kanały grzewcze to kluczowy element odpowiedzialny za transfer ciepła do wsadu. Materiały w tej strefie muszą charakteryzować się dobrą odpornością na pełzanie wysokotemperaturowe i deformacje, a także dobrą odpornością na zmiany temperatury.

Dno pieca jest poddawane dużym naciskom od wsadu oraz oddziaływaniu temperatury procesowej. Dodatkowo, może dochodzić tu do osadzania się związków mineralnych i zanieczyszczeń z materiału zasypowego. Wymurówka w tej części powinna mieć wysoką odporność na ściskanie, ścieranie oraz zachowywać niską nasiąkliwość, co zapobiega jej degradacji w długim okresie eksploatacji.

Kanały spalin odpowiadają za odprowadzenie gazów powstających podczas procesu wypalania bloków węglowych. Z uwagi na kontakt z mieszaniną gazów spalinowych może dochodzić tu do korozji, kondensacji agresywnych składników oraz zmian objętościowych materiału. Materiały stosowane w tej strefie muszą wykazywać odporność na agresywne gazy procesowe, stabilność chemiczną oraz szczelność, ograniczającą przenikanie zanieczyszczeń do konstrukcji pieca.

Warstwa barierowa zlokalizowana jest pod elektrodami węglowymi (katodami) i jej główną rolą jest zatrzymanie kąpieli elektrolitycznej przed penetracją dalszych warstw izolacyjnych. Materiały ogniotrwałe wykorzystane w tej części muszą zapewniać szczelność, ale także odporność chemiczną na ciekłe aluminium oraz związki sodu i fluoru. Szczególnie istotna jest odporność na penetrację kąpieli i ciekłego metalu, ponieważ ich przedostanie się do głębszych warstw może prowadzić do erozji oraz utraty izolacyjności, a w konsekwencji do skrócenia cyklu eksploatacyjnego wanny elektrolitycznej.

Główną rolą warstwy izolacyjnej jest ograniczanie strumienia ciepła uciekającego z wanny elektrolitycznej.

Warstwa robocza znajduje się w bezpośrednim kontakcie z ciekłym aluminium i jest najbardziej obciążonym elementem wyłożenia. Narażona jest na intensywne działanie metalu, możliwy kontakt z tlenkami oraz lokalne przegrzania przy ścianach i w rejonie spustu. Częstym zagrożeniem jest penetracja ciekłego aluminium w głąb materiału, powodująca jego osłabienie, rozwarstwienia lub pęknięcia. Materiały stosowane w tej warstwie muszą wykazywać wysoką odporność na korozję metaliczną, niski współczynnik zwilżalności oraz dużą wytrzymałość na szoki termiczne. Zalecane są materiały o ograniczonej nasiąkliwości i wysokiej czystości chemicznej.

Warstwa ta oddziela roboczą część kadzi od stalowego płaszcza zewnętrznego. Jej głównym zadaniem jest minimalizacja strat ciepła podczas transportu ciekłego metalu. Jednocześnie pełni funkcję kompensacyjną przy cyklach cieplnych, ograniczając naprężenia w strukturze wyłożenia. W tej strefie stosuje się lekkie materiały ogniotrwałe lub płyty izolacyjne, które muszą cechować się niskim przewodnictwem cieplnym, odpornością na cykle grzewcze i odpowiednią wytrzymałością mechaniczną przy niewielkiej masie objętościowej.