鋅熔鑄設(shè)備的改進實踐

魏福春， 李 龍

(赤峰中色鋅業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

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設(shè)備及自動化

鋅熔鑄設(shè)備的改進實踐

魏福春， 李 龍

(赤峰中色鋅業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

詳細介紹了鋅熔鑄設(shè)備中攪拌器、感應(yīng)器和澆鑄擋板的改進。改變合金攪拌器材質(zhì)，降低了合金錠的含鐵量；延長鋅熔鑄爐感應(yīng)器使用壽命，降低了產(chǎn)品能耗及維修費用；采用擋板式澆鑄方式，減少了鋅錠澆鑄時鋅液的氧化，提高了直收率。

鋅熔鑄； 合金攪拌器； 感應(yīng)器； 擋板式澆鑄

在鋅冶煉生產(chǎn)中，熔鑄工序的工藝組成最簡單，在降低成本方面，除了電耗、直收率和維修費用外，其他可操作空間很小。合理選擇合金攪拌器的材料，可減少合金的含鐵量，從而提高合金成品率；避免停爐帶來的額外電能損耗，降低能耗及維修費用的關(guān)鍵是延長鋅熔鑄爐感應(yīng)器的使用壽命；采用擋板式澆鑄方式，能夠減少鋅錠澆鑄時鋅液氧化，并提高直收率。

1 合金攪拌器

在鋅合金生產(chǎn)中，配料和攪拌器十分重要。正確配料是滿足用戶合金成分要求的前提，攪拌器則應(yīng)在保證合金成分均勻的前提下帶進的雜質(zhì)鐵越少越好。目前還沒有其他更好的材料可取代鐵質(zhì)攪拌器，一些資料介紹的鐵基合金鮮有應(yīng)用，非金屬材料中有很多耐鋅液浸蝕的材料，如：碳化硅、石英玻璃等，但因質(zhì)地脆，強度低而不適合。某公司最初使用316 L不銹鋼，后發(fā)現(xiàn)其不如鍛造45#鋼耐鋅液侵蝕，目前仍使用鍛造的45#鋼。

鋅錠鑄模一般采用鑄鐵材料，某公司鋅錠鑄模使用12個月，澆錠沖刷位置的蝕坑僅為1.5 mm左右，考慮到該材質(zhì)比較抗鋅液侵蝕，故采用報廢的鋅錠鑄模作為攪拌器的材料進行試驗。試驗用廢鋅錠模裁割拼成攪拌器，共制作了3個。第一個在使用前吊裝過程中，攪拌葉片被碰掉；第二個使用一周后，在移動過程中撞掉了葉片；第三個使用三周后，在攪拌過程中葉片脫落。

試驗表明：鑄鐵材料可焊性差，焊接強度達不到要求；使用三周的試驗攪拌器沒有明顯的被鋅液侵蝕跡象，說明這種鋅錠模鑄鐵材料有比較好的耐鋅液侵蝕性能，因此重新設(shè)計一體攪拌器進行試驗。一體攪拌器采用45#鋼做攪拌軸，葉片輪轂為整體鑄造件，由于鑄鐵可焊性差，輪轂與軸采用機械式聯(lián)接，避免焊造成不良影響。1個月的對比試驗結(jié)果，鑄鐵攪拌器除邊緣鑄造缺陷外，基本無侵蝕痕跡，而45#鋼鍛造的攪拌器已達到報廢的程度。

鑄鐵耐鋅液侵蝕能力與其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，白口鑄鐵中的碳絕大部分以滲碳體形態(tài)存在，其他鑄鐵中的碳以各種石墨形式存在，灰鑄鐵中的石墨為片狀，可鍛鑄鐵中的石墨為團絮狀，球墨鑄鐵中的石墨為圓球狀，蠕墨鑄鐵中的石墨為蠕蟲狀。石墨與鋅液互不浸潤，因此鑄鐵中的石墨阻止鋅液與鐵接觸發(fā)生互溶反應(yīng)，石墨在鑄鐵中越彌散其抗蝕性越好。另外，鑄鐵中的鎳、鉻、鉬、鋁、銅、硼、釩等也會影響抗蝕性。在相同基體組織的情況下，球墨鑄鐵的力學(xué)性能(強度、塑性、韌性)最好，其具有作為合金攪拌器最理想的機械性能，哪種鑄鐵用作攪拌器最理想有待進一步試驗驗證。

2 感應(yīng)器

國內(nèi)鋅冶煉電解鋅片熔化普遍使用工頻感應(yīng)電爐，這種鋅熔鑄爐一般采用300 kW感應(yīng)器做熱源，不同的爐型配置的感應(yīng)器數(shù)量不同。某廠除有300 kW感應(yīng)器的爐型，還有已被淘汰的90 kW感應(yīng)器的爐型，300 kW感應(yīng)器有株洲火炬工業(yè)爐公司和西安同欣公司設(shè)計的兩種，兩種類型感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式基本相同，不同點在于感應(yīng)器線圈護套的設(shè)計。

2.1 感應(yīng)器漏鋅分析

90 kW感應(yīng)器漏鋅。配有90 kW感應(yīng)器的是總功率540 kW的小鋅錠熔鑄爐，由株洲火炬工業(yè)爐設(shè)計。該爐型最大的缺點是3#感應(yīng)器使用壽命短，僅3個月左右，而其他感應(yīng)器的使用壽命基本在18月以上。 3#感應(yīng)器漏鋅點集中在銅套絕緣縫中部鋅環(huán)位置(見圖1)，其他位置沒有該情況。

300 kW感應(yīng)器漏鋅情況和90 kW感應(yīng)器的類似，集中在不銹鋼護套絕緣縫中部鋅環(huán)位置，圖2是一次漏鋅事故造成線圈燒毀圖。

圖2 線圈燒毀圖

從圖2可以看出，漏鋅點正處于鋅環(huán)位置。這次事故由于配電室斷路器未能接地脫開，導(dǎo)致線圈熔斷，斷路器報廢。

漏鋅部位都集中在鋅環(huán)附近，且由金屬護套的絕緣縫漏出，圖1圓圈標注的部位是鋅液侵蝕金屬護套留下的痕跡，鋅液與銅熔合在一起。 300 kW感應(yīng)器是不銹鋼護套，由于鋅與鐵不互熔，此處直接被鋅液侵蝕殘缺。對感應(yīng)器損壞成因分析發(fā)現(xiàn)，搗打料部分出現(xiàn)裂縫，裂紋開裂到護套絕緣縫位置，電木絕緣條燒毀漏鋅，裂縫沿著鋅環(huán)向外延伸，鋅環(huán)水平方向的裂紋居多，垂直方向的較少，從圖3可以看出典型的裂紋形式。

圖3 裂紋形式

鋅液通過裂縫到達護套時，并沒有直接擊穿金屬產(chǎn)生滲漏，而是通過絕緣縫流出，鋅液凝固溫度為417 ℃，金屬護套溫度遠低于此溫度，而且裂縫寬度不足0.1 mm，由于鋅環(huán)提供給裂縫最邊處鋅液的熱量有限，鋅液在金屬護套上凝固，從而阻止鋅液外流，感應(yīng)器可正常運行。無論干式搗打料還是濕式搗打料，在運行過程中均會產(chǎn)生裂紋，由于金屬外層溫度低于鋅的熔點，即使搗打料產(chǎn)生裂紋發(fā)生泄漏也不會造成漏鋅，感應(yīng)器仍可運行。而當鋅液堆積到絕緣縫時，鋅液將絕緣的地方聯(lián)通形成回路，此時金屬護套具有部分鋅環(huán)的磁能，自身成為熱源。鋅液聯(lián)通部位截面積較小，成為感應(yīng)電流發(fā)熱點，溫度遠高于417 ℃，固體鋅熔化、絕緣電木燒穿，鋅環(huán)里的鋅不斷地流出直至線圈接地斷路器跳閘。西安同欣設(shè)計的金屬護套由于有兩個絕緣縫，使用壽命相對長一些。

2.2 感應(yīng)器的改進

金屬護套絕緣縫是造成感應(yīng)器漏鋅的根本原因，但目前尚無更好的絕緣材料取代金屬。借鑒中頻無芯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，無芯爐爐體最外層為槽鋼框架，緊鄰框架的是水冷線圈，線圈里層是石棉板，石棉板里層就是耐火磚或澆注爐料，耐火磚或爐料構(gòu)筑的爐腔內(nèi)是熔融的金屬。在使用和維修中發(fā)現(xiàn)，耐火磚和爐料形成的爐襯會產(chǎn)生裂紋，金屬熔體沿裂紋到達石棉板內(nèi)側(cè)并凝固，發(fā)生滲漏的地方通常是石棉板接縫，或因石棉板與爐料粘連在一起，爐料開裂并將石棉板一起撕裂處。既然石棉板能經(jīng)受住無芯爐的金屬熔體的侵蝕，那么將其用在感應(yīng)器金屬護套上也應(yīng)當可行。石棉板是絕緣材料，用其包裹金屬護套，當鋅液沿裂縫到達金屬護套外側(cè)時，由于石棉板的阻隔，鋅液與金屬護套不發(fā)生接觸，則不會形成回路，也就不會產(chǎn)生感應(yīng)電流而形成額外的熱源，金屬鋅在石棉板外側(cè)凝固后阻擋鋅液繼續(xù)外流，從而延長感應(yīng)器的有效使用壽命。為了防止搗打料粘連石棉板并開裂，采用雙層1 mm石棉板包裹，見圖4。

圖4 石棉板包裹金屬護套

目前采用這種設(shè)計方案的有部分300 kW感應(yīng)器和1個90 kW感應(yīng)器，在四期異常的2#合金爐(300 kW感應(yīng)器常常漏鋅，最短的使用壽命僅3 d天)對比試驗中發(fā)現(xiàn)，同一班組搗打的感應(yīng)器，采用新設(shè)計方案使用壽命是原設(shè)計的13倍以上；不同班組搗打的感應(yīng)器，新設(shè)計的感應(yīng)器使用壽命是另一組原設(shè)計的30倍以上。540 kW的小鋅錠熔鑄爐3#感應(yīng)器(2015年6月21日開始使用)使用期超過6個月，仍能正常運行。試驗中采用新設(shè)計方案的感應(yīng)器也相繼出現(xiàn)漏鋅，漏鋅部位是不銹鋼護套與感應(yīng)器鋼殼上接口處，漏鋅點均位于感應(yīng)體澆注料產(chǎn)生縱向裂紋并開裂到護套與鋼殼對接處，鋅液穿透石棉繩而溢出。圖5是新設(shè)計的感應(yīng)器漏鋅后拆開看到的石棉板阻擋鋅液效果，從目前情況看達到了設(shè)計目的。

圖5 新設(shè)計的感應(yīng)器石棉板阻擋鋅液效果

由于新設(shè)計的感應(yīng)器不銹鋼護套與感應(yīng)器鋼殼上接口處漏鋅，鋅液倒流到線圈室即不銹鋼護套里，導(dǎo)致線圈受損，所以又設(shè)計了法蘭式不銹鋼護套，如圖6。

圖6 法蘭式不銹鋼護套

護套法蘭與鋼殼緊密連接，鋼殼與法蘭之間用石棉板作密封墊，阻止搗打料開裂漏出的鋅液。此設(shè)計的感應(yīng)器于2015年6月11日裝配在四期2#合金爐，使用約2個月后，感應(yīng)器與爐體接口法蘭漏鋅，拆開發(fā)現(xiàn)從鋅環(huán)到接口法蘭的搗打料有一條裂紋，導(dǎo)致漏鋅。進行清理后，在接口法蘭上重新壓填巖棉板再次裝配使用，這是這臺爐子出現(xiàn)異常損壞感應(yīng)器情況以來使用壽命最長的感應(yīng)器，同一臺爐子另一個感應(yīng)器已更換了4次。

2.3 線圈防鋅液保護措施

不銹鋼護套與感應(yīng)器鋼殼無論采取何種設(shè)計，都會有絕緣縫，法蘭式不銹鋼護套的絕緣縫還必須與殼體的絕緣縫對齊，以阻斷感應(yīng)電流。絕緣縫雖然用石棉板封堵，但仍有漏鋅的可能。線圈室處于高溫之中，熱源來源于線圈本身和感應(yīng)體內(nèi)的鋅環(huán)。線圈本身的熱來自線圈的電阻及鐵芯感應(yīng)電流發(fā)熱，由于線圈為銅質(zhì)，截面積150 mm2，最大電流650 A，因此線圈電阻產(chǎn)生的熱量可以忽略不計。鐵芯為硅鋼片壓制而成且截面積為34.5 cm2，感應(yīng)產(chǎn)生的熱量也很低。鋅環(huán)溫度在600 ℃左右，抽出線圈實測線圈室內(nèi)壁溫度在100 ℃左右，因此線圈室熱量主要來源于鋅環(huán)，原設(shè)計感應(yīng)體有兩臺冷卻風機，基本能夠滿足線圈室的冷卻需求。由于熱量基本來源于鋅環(huán)即線圈室內(nèi)壁，因此在線圈之外增加一層0.5 mm耐高溫石棉板，石棉板將線圈室分為兩個，內(nèi)室是線圈，外室是風道，如圖7。

圖7 線圈防鋅液保護

冷卻風從底部進入，穿過線圈室的風將線圈產(chǎn)生的熱量帶走，穿過外室的風將鋅環(huán)傳導(dǎo)的熱帶走，更重要的是一旦發(fā)生漏鋅，鋅液不會與線圈接觸，而是沿著外室向下流出感應(yīng)體，提醒崗位人員感應(yīng)體發(fā)生漏鋅事故，不至于線圈損毀。

3 擋板式澆鑄

3.1 常規(guī)澆鑄

小鋅錠生產(chǎn)澆鑄方式不同，所用的鋅熔鑄爐爐型也不一樣。簸箕澆鑄方式的爐子只有一個室，且室內(nèi)鋅液上有浮渣，浮渣起保溫隔氧作用，因此噸鋅電耗低，直收率高。舀勺澆鑄方式的爐子有前后室，舀勺在前室舀取鋅液的同時攪動前室，造成鋅液大量氧化，加之前室無浮渣覆蓋，熱量散失較大，故舀勺澆鑄比簸箕澆鑄電耗高，直收率低。簸箕澆鑄的主要缺點是，鋅液流出爐子經(jīng)溜槽至簸箕過程中大量氧化，且在簸箕內(nèi)也發(fā)生氧化。因此需要解決鋅液氧化問題，提高直收率。

3.2 擋板式澆鑄

鋅液氧化量與鋅液凝固之前暴露于空氣中的時間、接觸面有關(guān)，澆鑄時鋅液爐外停留的時間越短、接觸空氣的面積越小則越好。因此在溜槽設(shè)計，澆鑄方式選擇上均應(yīng)以此為原則。

3.2.1 溜槽改進設(shè)計

傳統(tǒng)溜槽采用爐料搗打或是U型耐火磚砌筑，鋅液與空氣接觸面積過大。改進設(shè)計采用復(fù)合溜槽，圖8是溜槽截面情況對比。

圖8 溜槽截面對比

新設(shè)計的溜槽采用特制U型磚，U型磚開口寬度為10 mm。改進后鋅液與空氣接觸面積縮小了80%左右，為了放置石墨棒，爐子出鋅口處仍然采用120 mm寬體溜槽，整體溜槽中鋅液與空氣的接觸面積縮小60%左右，亦即鋅液在溜槽氧化大大減少。特制U型磚采用耐鋅液侵蝕的碳化硅材質(zhì)，實際使用過程中如果在鋅液上覆蓋石棉，可進一步減少熱量散失及避免接觸空氣。

3.2.2 擋板式澆鑄

目前小鋅錠模澆鑄比較理想的是舀勺澆鑄方式，舀出的鋅液直接流到鋅錠模里，而且鋅液的澆口距離鋅錠模上沿僅10 mm左右；不足之處是鋅液進入澆口室內(nèi)要產(chǎn)生旋流及余液回流，導(dǎo)致鋅液氧化。為了減少鋅液氧化，采用擋板式澆鑄，圖9為擋板的臨界位置。

圖9 擋板式澆鑄

澆鑄擋板固定于圓盤上，圓盤動力取自鑄錠鏈條，齒輪傳動，澆鑄擋板與鑄模保持同步運動，每當兩鑄模之間縫隙移動到給液澆口下方時，擋板提前阻擋鋅液，防止鋅液流到鑄模外，依次循環(huán)。

給液澆口采用耐鋅液侵蝕性好的氮化硅圓管，采用鋼板和水泥石棉板通過水玻璃粘合在一起的復(fù)合擋板，鋼板起支撐作用，水泥石棉板保護鋼板免于鋅液侵蝕。如果水泥石棉板老化，可隨時更換。

4 結(jié)論

鋅合金生產(chǎn)采用鑄鐵攪拌器時，攪拌器無明顯侵蝕現(xiàn)象，鋅合金中鐵的含量無明顯增加，因此造成鋅合金含鐵高的原因應(yīng)是爐內(nèi)物料問題。對比小鋅錠生產(chǎn)工藝，鋅合金生產(chǎn)僅多一個攪拌過程，排除攪拌器帶入的可能，鐵可能來自砸下的芯軸屑、鑄模的碎屑。筆者認為，降鐵的方向是回爐料的分揀。

試驗表明，改進后的感應(yīng)器壽命延長了4倍多，在四期異常的2#合金爐得出的結(jié)論，在其他爐子也得到驗證。

擋板式澆鑄目前在小鋅錠澆鑄方式中比較有優(yōu)勢，結(jié)合溜槽的改進整個澆鑄過程比傳統(tǒng)澆鑄方式減少鋅氧化80%，澆鑄流程縮短，熱量散失少，爐溫控制比傳統(tǒng)澆鑄低5～10 ℃。

鋅熔鑄主要是靠設(shè)備的技術(shù)含量及效率提高產(chǎn)品質(zhì)量降低消耗成本，改變合金攪拌器材料盡可能地降低合金錠的含鐵量；延長鋅熔鑄爐感應(yīng)器使用壽命，能有效降低產(chǎn)品能耗及維修費用；采用擋板式澆鑄方式，最大限度地減少小鋅錠澆鑄時產(chǎn)生的氧化，提高直收率。

日本南鳥島發(fā)現(xiàn)大范圍稀有金屬礦

在日本最東端的南鳥島附近深海海底發(fā)現(xiàn)大面積錳結(jié)核礦，分布范圍至少有4.4萬平方公里，比九州島面積還大。這是日本首次在南鳥島附近發(fā)現(xiàn)如此大范圍稀有金屬礦。

南鳥島面積約1.2平方公里，西北距東京約1 800公里。日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)和東京大學(xué)等從2010年起對南鳥島附近海底礦藏進行調(diào)查，2013年已發(fā)現(xiàn)該島附近海底泥中存在高濃度稀土。

研究人員在距離南鳥島約300公里的5 500米海底發(fā)現(xiàn)密布著錳結(jié)核礦石。研究人員利用深海探測器“深海6500”采集了部分錳結(jié)核礦石樣本，發(fā)現(xiàn)其富含稀有金屬鈷和鎳等，僅鈷的量就夠日本使用約1 600年。

日本一直希望通過尋找海洋礦藏來擺脫對進口稀有金屬資源的依賴。不過，由于這些礦石位于深海海底，目前采集利用還有困難，未來有望成為重要的稀有金屬資源。

Improvement practice of zinc casting equipment

WEI Fu-chun, LI Long

This paper introduces the improvements of agitator, sensor and casting baffle in zinc casting. Change of alloy agitator materials reduces the iron content in alloy ingot. Extending the sensor life of zinc casting furnace reduces the product energy consumption and maintenance cost.The adoption of baffled casting can reduce the zinc solution oxidation during zinc ingot casting and improve the direct recovery.

zinc casting; alloy agitator; sensor; baffled casting

魏福春(1974—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，有色冶金高級工程師。

2015-12-31

TF813

B

1672-6103(2016)05-0037-05