劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

0 前言

混合爐是鋁冶煉廠將電解原鋁液轉(zhuǎn)化為重熔鋁錠的重要設(shè)備之一?；旌蠣t運(yùn)行狀況的優(yōu)劣直接影響重熔鋁錠鑄造生產(chǎn)。良好的運(yùn)行工況不僅可以保證重熔鋁錠高效生產(chǎn)，而且也可以保障操作人員安全。通過(guò)分析鋁用混合爐漏鋁事故案例發(fā)現(xiàn)，除了出鋁口破損導(dǎo)致漏鋁外，最常見(jiàn)的漏鋁事故出現(xiàn)在混合爐的爐底部位。而爐底漏鋁的發(fā)生則充分說(shuō)明熔池內(nèi)襯的各個(gè)功能層已經(jīng)失去了其應(yīng)有的防滲功能。因此，分析鋁用混合爐熔池內(nèi)襯失效的原因，對(duì)于混合爐內(nèi)襯材料的選擇、熔池砌筑、熔池的清理與維護(hù)、保持熔池使用壽命都有著重要的意義。

1 混合爐熔池的作用及其主要構(gòu)成

1.1 混合爐熔池的作用

眾所周知，電解鋁液是鋁冶煉廠電解槽氧化鋁還原反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物。當(dāng)電解槽中在產(chǎn)原鋁液達(dá)到一定量時(shí)，就必須用虹吸管將其從電解槽中吸出轉(zhuǎn)至真空抬包中，再運(yùn)送至重熔鋁錠鑄造車間轉(zhuǎn)注到混合爐熔池內(nèi)，進(jìn)行成分和溫度調(diào)整，經(jīng)過(guò)除渣、除氣、攪拌、靜置和扒渣等一系列工序后，鑄造成一定規(guī)格的重熔鋁錠。由此可見(jiàn)，混合爐在重熔鋁錠鑄造過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

1.2 混合爐熔池的主要構(gòu)成

混合爐熔池主要由鋼結(jié)構(gòu)骨架、吸能層、保溫層和工作層組成，如圖1所示。各部分的作用如下：

圖1 鋁用混合爐熔池的主要構(gòu)成示意圖

1) 鋼結(jié)構(gòu)骨架的作用是固定混合爐熔池內(nèi)襯材料，承載熔池內(nèi)襯和鋁液重量。

2) 吸能層是爐襯緊靠鋼結(jié)構(gòu)的最外一層陶瓷纖維，用于吸收爐襯工作中的部分熱膨脹，保護(hù)爐殼。

3) 保溫層是由高鋁磚砌筑而成，主要作用是保持熔池內(nèi)鋁液溫度，減少透過(guò)工作層向外散失的熱量。

4) 工作層是與鋁液直接接觸的熔池表面層。由耐火澆注料澆注而成，其作用除了承載鋁液重量和高溫外，還有抵抗鋁液滲透防止熔池漏鋁的作用。

2 混合爐熔池內(nèi)襯失效的原因分析

2.1 混合爐熔池內(nèi)襯失效的特征

熔池內(nèi)襯失效最顯著的特征就是混合爐爐體外殼鋼結(jié)構(gòu)溫度異常升高。新砌筑或大修后的混合爐在烘爐程序完成并投運(yùn)后，都要測(cè)量爐體四周和爐底鋼結(jié)構(gòu)的溫度并記錄在案，作為日后判斷混合爐是否出現(xiàn)滲鋁的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。通常，投運(yùn)一周后爐底鋼結(jié)構(gòu)正常的表面溫度應(yīng)低于280 ℃，爐墻表面溫度為80～120 ℃。原因是在混合爐熔池內(nèi)，承載著約35 t的高溫鋁液，爐底承受著鋁液垂直靜壓力，而爐墻則承受鋁液的水平靜壓力。眾所周知，在剛性容器內(nèi)，垂直靜壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平靜壓力。所以通過(guò)爐底傳遞的熱量遠(yuǎn)多于通過(guò)爐墻傳遞的熱量，從而導(dǎo)致?tīng)t底溫度比爐墻溫度高。因此，如果爐底或爐墻鋼結(jié)構(gòu)表面溫度出現(xiàn)異常升高，說(shuō)明鋁液已經(jīng)穿過(guò)爐襯砌體的各個(gè)功能層直接接觸鋼結(jié)構(gòu)了。表面溫度越高，說(shuō)明鋁液滲透程度越嚴(yán)重，即滲鋁的時(shí)間越長(zhǎng)。

2.2 混合爐熔池內(nèi)襯失效的原因分析

造成爐襯失效的的影響因素主要有以下幾方面，如熔池耐火材料表面狀況、熱沖擊、內(nèi)襯所受靜壓力大小、耐火材料中的雜質(zhì)成分、固體爐料添加操作、機(jī)械攪拌、清爐操作等。

2.2.1 熔池耐火材料表面狀況的影響

混合爐熔池工作層是由澆注料搗制而成的。澆注內(nèi)襯時(shí)，澆注料中要添加一定量的水，這些水就存留于熔池砌體中。烘爐時(shí)，隨著耐火材料溫度的升高，水發(fā)生汽化，并以高于環(huán)境氣壓的壓力從耐火材料中逸出。水分逸出時(shí)形成大量微小通道，當(dāng)鋁液注入熔池中時(shí)，就沿著這些微小通道滲入耐火材料內(nèi)襯中。

2.2.2 熱沖擊的影響

鋁用混合爐在使用過(guò)程中，因各種原因而長(zhǎng)時(shí)間停爐時(shí)，爐襯耐火材料的溫度降低到環(huán)境溫度。重新啟動(dòng)混合爐時(shí)，如果沒(méi)有對(duì)爐襯進(jìn)行預(yù)熱烘爐就直接將高溫電解鋁液注入熔池內(nèi)，就會(huì)使?fàn)t襯耐火材料受到極大的熱沖擊，并產(chǎn)生較大的熱膨脹，爐襯砌塊之間會(huì)出現(xiàn)較大的相互作用力(即熱應(yīng)力)；此外，由于某種特殊原因，爐襯材料在較短的時(shí)間內(nèi)由工作溫度驟降至環(huán)境溫度時(shí)，也會(huì)在爐襯材料中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)爐襯材料中存在較大的熱應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拱起或開(kāi)裂。由于高溫鋁液的粘度系數(shù)極小，高溫鋁液會(huì)迅速沿著裂紋或拱起縫隙滲入耐火材料，并在縫隙內(nèi)被氧化生成Al2O3。當(dāng)熔池溫度下降到一定程度后，Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)并產(chǎn)生體積膨脹，使縫隙變大。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致熔池內(nèi)襯耐火材料失效[1]。

2.2.3 內(nèi)襯所受靜壓力的影響

混合爐熔池都具有一定的長(zhǎng)、寬、高，對(duì)鋁液滲入耐火材料影響最大的是熔池的高度。眾所周知，熔池高度越大，承載的鋁液越多，熔池內(nèi)襯承受的鋁液靜壓力就越大。而在較大靜壓力的作用下，由于高溫鋁液具有極好的流動(dòng)性，并且對(duì)耐火材料有著極好的浸潤(rùn)性，高溫鋁液通過(guò)耐火材料骨料間的微孔、烘爐過(guò)程內(nèi)襯材料中自由水和結(jié)晶水汽化逸出所產(chǎn)生的孔洞逐步滲入耐火材料內(nèi)襯?；旌蠣t的運(yùn)行是間歇式的，高溫時(shí)滲入耐火材料的金屬鋁以液態(tài)形式存在于耐火材料微孔和水蒸氣排出形成的通道中。然而，當(dāng)混合爐內(nèi)鋁液排空后，熔池內(nèi)環(huán)境溫度下降，耐火材料內(nèi)襯的溫度也隨之下降。當(dāng)溫度低于660 ℃(金屬鋁的熔點(diǎn))時(shí)，滲入內(nèi)襯中的鋁液凝結(jié)為固態(tài)。眾所周知，金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生體積收縮。這時(shí)，滲入微孔中的鋁與耐火材料之間出現(xiàn)縫隙，而內(nèi)襯表面失去了鋁液的保護(hù)，運(yùn)行時(shí)鋁液對(duì)耐火材料與空氣的隔離作用消失，使得高溫固態(tài)金屬鋁直接與氧氣接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成固態(tài)氧化鋁?；旌蠣t周而復(fù)始的填充與排空，使得這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，最終造成鋁液滲透穿過(guò)各個(gè)功能層直抵爐底鋼結(jié)構(gòu)，使混合爐耐火材料內(nèi)襯失效。

2.2.4 爐襯耐火材料中雜質(zhì)組分的影響

在鋁用混合爐耐火材料內(nèi)襯中，除了主要組分Al2O3含量大于80%外，還有一些雜質(zhì)組分，含量最高的雜質(zhì)組分是SiO2，此外還有FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O及MgO等，它們會(huì)與高溫電解鋁液發(fā)生式(1)～(4)的反應(yīng)，造成爐襯耐火材料的浸蝕。雖然這些反應(yīng)都比較微弱，但是對(duì)內(nèi)襯的失效卻有一定的影響。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2.5 堿金屬的影響

對(duì)混合爐熔池內(nèi)襯耐火材料失效影響較大的是堿金屬元素Na和K。電解鋁液中的堿金屬Na元素含量高達(dá)0.008%～0.015%[2]，且在重熔鋁錠生產(chǎn)過(guò)程中，要采用清渣劑和打渣劑對(duì)混合爐內(nèi)的鋁液進(jìn)行必要的凈化處理(主要是除氣和除渣)，而這些熔劑的主要成分是NaCl、KCl以及Na3AlF6(冰晶石)[3]，它們均含有大量的堿金屬元素Na和K，尤其是Na元素。Na元素的沸點(diǎn)相當(dāng)?shù)?，僅為97.8 ℃，在混合爐的工作溫度下，部分Na元素會(huì)發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)變，升華為Na蒸汽。這些蒸汽便會(huì)沿著耐火材料表面的微孔通道進(jìn)入耐火材料內(nèi)部，并與耐火材料組元發(fā)生反應(yīng)，形成霞石和鉀霞石，造成耐火材料浸蝕和失效[4]。

(5)

(6)

2.2.6 機(jī)械攪拌的影響

用戶對(duì)于用電解鋁液生產(chǎn)的重熔鋁錠的品位要求各異，通常要求Fe含量比較高，有時(shí)甚至要求Fe含量高達(dá)0.20%。正常運(yùn)行的電解槽產(chǎn)出的鋁液很難達(dá)到這個(gè)要求，必須通過(guò)向鋁液中添加鐵劑、適當(dāng)提高混合爐內(nèi)鋁熔體溫度以及加強(qiáng)攪拌來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，添加鐵劑后，一方面，由于鐵劑的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁液，如果攪拌程度不夠，鐵劑會(huì)發(fā)生沉積，并富集在爐底耐火內(nèi)襯材料表層，其與鋁液和砌體材料的反應(yīng)加劇砌體膨脹；另一方面，如果溫度過(guò)低，則鐵劑的熔化性能差，所生產(chǎn)的重熔鋁錠化學(xué)成分很難滿足用戶要求。此外，強(qiáng)烈攪拌雖然能獲得較好的鐵劑溶解性能，提高鐵元素的實(shí)收率，但是，在采用機(jī)械攪拌的情況下，如果攪拌機(jī)械操作不當(dāng)，攪拌器具會(huì)與爐底和爐墻耐火材料內(nèi)襯產(chǎn)生碰撞，造成耐火材料內(nèi)襯損傷，從而加速鋁液對(duì)熔池內(nèi)襯的浸蝕。

2.2.7 固體爐料添加操作的影響

在重熔鋁錠生產(chǎn)過(guò)程中，在化學(xué)成分(主要是Fe、Si含量)確定的情況下，為了使電解鋁液盡快降溫，通常要往熔池中加入一些固體爐料。在固體爐料添加過(guò)程中，如果操作不當(dāng)，固體爐料就會(huì)與熔池內(nèi)襯耐火材料發(fā)生碰撞，長(zhǎng)期的不當(dāng)操作必然會(huì)對(duì)熔池內(nèi)襯造成損傷，導(dǎo)致內(nèi)襯材料過(guò)早失效。

2.2.8 清爐操作的影響

混合爐使用一段時(shí)間后，金屬鋁的高溫氧化、電解鋁液中的非金屬氧化物以及打渣劑和清渣劑等溶劑的使用，會(huì)在熔池爐襯表面形成一層粘附物，即Al2O3含量大于95%的“蘑菇狀生長(zhǎng)物”剛玉瘤[5]。常溫下，這些粘附物具有比較高的強(qiáng)度和硬度，它們與爐襯緊密地結(jié)合在一起。如果在常溫下采用機(jī)械方法進(jìn)行清理，在清除掉剛玉瘤的同時(shí)，也必然會(huì)造成耐火材料損傷?；旌蠣t剛排空時(shí)，剛玉瘤相對(duì)比較軟，具有一定的彈性，此時(shí)清爐可以減小對(duì)爐襯耐火材料的傷害，但由于此時(shí)熔池表面的溫度非常高，熱輻射強(qiáng)度比較大，如果采用人工清爐，工人無(wú)法近距離操作，清爐效果非常有限。而如果采用清爐機(jī)機(jī)械(如攪拌車、扒渣車)進(jìn)行清爐，也難免會(huì)因?yàn)闊彷椛涞挠绊懞蛙囕v操作問(wèn)題對(duì)爐襯材料造成機(jī)械傷害。

3 延長(zhǎng)混合爐耐火材料內(nèi)襯壽命的措施

生產(chǎn)實(shí)踐表明，采取以下措施可以減緩鋁用混合爐內(nèi)襯失效，延長(zhǎng)內(nèi)襯的使用壽命。

3.1 采用合理的混合爐設(shè)計(jì)尺寸

在滿足混合爐容量要求的前提下，盡量采用較小的熔池高度，以減小高溫電解鋁液所產(chǎn)生的靜壓力對(duì)熔池四周爐墻和爐底耐火材料失效的影響。

3.2 選擇雜質(zhì)含量低的耐火材料

選擇雜質(zhì)含量低的耐火材料，以提高耐火材料的抗鋁液侵蝕性能。筑爐前，委托有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)對(duì)所采購(gòu)的耐火材料進(jìn)行分析，確定其Al2O3含量，以及SiO2、FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O、MgO等雜質(zhì)的含量，盡量選擇Al2O3含量高，SiO2、FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O及MgO等雜質(zhì)含量低的耐火材料，因?yàn)檫@樣不僅可以保證耐火材料的耐火度，而且可以減少耐火材料與鋁液之間的反應(yīng)，降低鋁液對(duì)耐火材料的浸蝕。

3.3 提高筑爐質(zhì)量

在筑爐過(guò)程中，應(yīng)派專人對(duì)筑爐質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)理，嚴(yán)格控制磚縫尺寸和灰漿飽和度，防止鋁液進(jìn)入磚縫形成固態(tài)Al2O3，并因其體積膨脹而造成爐襯滲鋁從而導(dǎo)致?tīng)t襯失效。

3.4 制定合理的烘爐曲線

混合爐砌筑完成后，烘爐工序質(zhì)量對(duì)耐火材料內(nèi)襯壽命有很大影響。應(yīng)采用分段加熱、分段保溫的烘爐曲線，嚴(yán)格控制升溫速率，使?fàn)t襯耐火材料均勻升溫，并使內(nèi)襯中的自由水和結(jié)合水充分逸出，將烘爐過(guò)程中由于溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力減小到最小程度，確保烘爐過(guò)程中爐襯不發(fā)生開(kāi)裂[6]。

3.5 采用新型預(yù)制塊爐襯砌筑工藝

近些年，從國(guó)外引進(jìn)了新的鋁用混合爐砌筑工藝。其原理是在混合爐砌筑前，根據(jù)混合爐爐殼尺寸、熔池尺寸及耐火材料在混合爐工作溫度下的收縮率，將爐襯設(shè)計(jì)成具有一定形狀和尺寸的耐火材料澆注塊，并通過(guò)模具設(shè)計(jì)、加工和預(yù)制塊澆注和焙燒，最終完成鋁用混合爐爐襯砌筑。由于爐襯砌體提前在850 ℃以上的溫度下預(yù)焙燒了約10 d，這個(gè)溫度比混合爐正常工作溫度高出了大約100 ℃，基本消除了澆注料在工作溫度下的熱態(tài)線收縮，將爐襯在熱態(tài)下的收縮量降至最小，從而避免了烘爐過(guò)程中因耐火材料線收縮而導(dǎo)致的爐襯開(kāi)裂[7-8]。

3.6 控制精煉劑和清渣劑的使用

在重熔鋁錠生產(chǎn)過(guò)程中，為了清除鋁熔體中的夾雜物和溶解氫，要使用一定量的精煉劑和清渣劑。如果熔劑使用過(guò)量或撒播不均勻，或者撒播在爐墻附近，必然會(huì)對(duì)爐墻耐火材料內(nèi)襯造成嚴(yán)重傷害，因?yàn)槿軇┲泻幸欢康闹軇?、發(fā)熱劑、引爆劑和防潮劑，這些成分與鋁液接觸會(huì)發(fā)生燒渣反應(yīng)，燒渣溫度高達(dá)2 204 ℃[9]。如此高的溫度必然會(huì)對(duì)耐火材料內(nèi)襯造成嚴(yán)重?fù)p害，大大降低耐火內(nèi)襯材料的使用壽命，因?yàn)榛旌蠣t爐襯所用耐火材料的耐火度低于1 800 ℃。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，在滿足除氣除渣要求的前提下，一定要將熔體添加量控制到最少；添加熔劑時(shí)，一定要撒播均勻，并在撒播后盡快進(jìn)行攪拌處理，避免熔劑與爐墻長(zhǎng)時(shí)間接觸。

此外，常用的精煉劑和清渣劑中含有大量的Na和K元素，因此減少煉劑和清渣劑的用量也可以降低Na、K元素對(duì)耐火材料內(nèi)襯的侵蝕，延緩耐火材料內(nèi)襯失效進(jìn)程。

3.7 優(yōu)化固體爐料添加方式

在重熔鋁錠生產(chǎn)過(guò)程中，不可避免地要向鋁液中添加一定量的固體廢料，如果添加方式不當(dāng)，就會(huì)發(fā)生固體冷料與混合爐耐火材料內(nèi)襯碰撞，對(duì)內(nèi)襯材料造成機(jī)械損傷，從而影響其使用壽命。因此，在添加固體冷料時(shí)，應(yīng)當(dāng)用鋼絲繩捆綁固體料，再在起重機(jī)的輔助下緩緩將其加入熔池中，最大程度地避免對(duì)爐襯的機(jī)械傷害。

3.8 提高攪拌扒渣操作水平

在重熔鋁錠生產(chǎn)過(guò)程中，為保證熔池內(nèi)鋁液溫度和化學(xué)成分均勻性，在沒(méi)有安裝電磁攪拌裝置的情況下，常使用攪拌(扒渣)車對(duì)熔池內(nèi)的鋁液進(jìn)行攪拌和扒去熔體表面浮渣。如果車輛操作人員操作水平欠佳，就會(huì)使扒渣板與熔池底部及四周爐墻耐火內(nèi)襯發(fā)生碰撞，造成熔池內(nèi)襯耐火材料機(jī)械損傷，影響內(nèi)襯的使用壽命。因此，提高車輛操作人員技術(shù)水平對(duì)于減少內(nèi)襯機(jī)械損傷和延長(zhǎng)內(nèi)襯壽命產(chǎn)生直接影響。目前，國(guó)內(nèi)許多大型重熔鋁錠生產(chǎn)用混合爐和鋁合金熔煉爐采用電磁攪拌器攪拌熔體。這種攪拌方式屬于非接觸式攪拌(即攪拌器不與熔體接觸)，不僅可以提高鋁熔體溫度和化學(xué)成分的均勻性，減小鋁熔體污染，節(jié)約能源，減少鋁液燒損，提高生產(chǎn)效率，大大降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善操作環(huán)境[10-11]，而且可以將攪拌作業(yè)對(duì)爐襯耐火材料的傷害降低到最小程度。

3.9 建立合理的清爐制度

混合爐使用幾個(gè)爐次后，爐墻渣線附近會(huì)粘附大量爐渣，如果不及時(shí)清理，就會(huì)形成強(qiáng)度較高的剛玉瘤。它們與爐墻內(nèi)襯緊密結(jié)合在一起，不僅會(huì)造成熔池容積減小，影響混合爐利用率，而且會(huì)造成后續(xù)清爐困難，甚至?xí)驗(yàn)榍鍫t而對(duì)爐襯造成嚴(yán)重的損傷。生產(chǎn)實(shí)踐表明，在熔池內(nèi)鋁液排空后，立即對(duì)混合爐進(jìn)行清爐作業(yè)，可以將清爐對(duì)爐襯的機(jī)械傷害降至最小，因?yàn)榇藭r(shí)爐襯溫度較高，粘附在爐襯上的熔渣具有一定的彈性，采用人工方式進(jìn)行清理，可以通過(guò)力度的掌握完成清爐。

3.10 減小高溫電解鋁液對(duì)爐襯的熱沖擊

長(zhǎng)時(shí)間未運(yùn)行的混合爐在重新投入運(yùn)行前必須進(jìn)行烘爐處理，將爐襯耐火材料的溫度提升至750 ℃以上才可將高溫電解鋁液注入熔池內(nèi)，以減小高溫電解鋁液對(duì)耐火材料內(nèi)襯產(chǎn)生的熱沖擊，減小爐襯內(nèi)的熱應(yīng)力，進(jìn)而有效將低對(duì)爐襯的傷害；同樣，當(dāng)混合爐停運(yùn)時(shí)，切記不能采用強(qiáng)制冷卻方式使?fàn)t襯耐火材料由高溫(700 ℃以上)驟降至常溫(20 ℃左右)，避免由于冷卻速度過(guò)快在爐襯耐火材料中產(chǎn)生過(guò)大的收縮應(yīng)力而造成爐襯耐火材料開(kāi)裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從熔池內(nèi)襯表面狀況、熱沖擊、電解鋁液的靜壓力、耐火材料雜質(zhì)組分、堿金屬、機(jī)械攪拌、固體爐料添加操作和清爐操作等8個(gè)方面分析了40 t鋁用混合爐熔池內(nèi)襯失效的原因，并從耐火材料質(zhì)量、筑爐質(zhì)量、烘爐曲線、新型筑爐工藝、精煉劑和清渣劑使用、固體料添加、攪拌扒渣操作、清爐制度以及減小爐襯熱沖擊等方面探討了延長(zhǎng)混合爐內(nèi)襯使用壽命的措施，希望對(duì)同行業(yè)有所借鑒。