頂裝料式熔鋁爐爐底耐火材料砌筑工藝的改進(jìn)

婁熙承

（重慶工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶400067）

熔鋁爐按裝料方式可分為依靠行車吊運(yùn)加料桶從頂部裝料的頂裝料式熔鋁爐和依靠裝料車將原材料從側(cè)面推入爐膛的側(cè)裝料式熔鋁爐。頂裝料式熔鋁爐在裝載幾何形狀不規(guī)則的大體積廢料的時(shí)候，對(duì)比側(cè)裝料式熔鋁爐有明顯的優(yōu)勢(shì)。西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司熔鑄廠的廢料占投料量比例超過50%，總共14 臺(tái)熔鋁爐里就有11 臺(tái)是頂裝料式熔鋁爐。 頂裝料式熔鋁爐在加料過程中， 廢料從加料桶墜落到爐底，對(duì)爐底造成很大的沖擊荷載，這是導(dǎo)致頂裝料式熔鋁爐爐底耐火材料使用壽命短的主要原因。 針對(duì)這一問題， 本文提出了一種縮減熔鋁爐爐底防滲層和保溫層厚度， 并在耐火材料工作層和防滲層之間增加 “緩沖層” 的新砌筑工藝來減少廢料下墜對(duì)爐底工作層造成的沖擊荷載。 這種新工藝首先被使用在西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司熔鑄廠34#熔煉爐上，其爐底耐火材料的使用壽命得到了顯著的延長(zhǎng)。

1 改進(jìn)方法

導(dǎo)致熔鋁爐爐底耐火材料比爐膛其他部位的耐火材料易損的原因多方面的，比如爐膛的清渣工作[1]以及鋁液的合金成分對(duì)耐火材料的滲透破壞[2]。 但裝料過程中的沖擊荷載應(yīng)該是最主要的原因。 在了解了爐底耐火材料主要的破損機(jī)理后， 才能明確相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1.1 傳統(tǒng)的爐底砌筑工藝

按照傳統(tǒng)的熔鋁爐爐底耐火材料的砌筑工藝，耐火材料的砌筑分為3 層，從上到下分別是工作層、防滲層和保溫層。 并根據(jù)經(jīng)濟(jì)爐襯厚度計(jì)算公式[3]確定爐襯的整體厚度。 如圖1 所示，西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司熔鑄廠34#熔煉爐原有的爐底結(jié)構(gòu)也分為3 層， 最上層是由300 mm 高鋁質(zhì)耐火磚構(gòu)成的工作層； 中間是由180 mm 耐火澆注料構(gòu)成的防滲層； 最下層是由120 mm 高強(qiáng)度輕質(zhì)漂珠磚構(gòu)成的保溫層。

圖1 傳統(tǒng)的熔鋁爐爐底砌筑簡(jiǎn)圖

以前因?yàn)槿垆X爐燃燒器的技術(shù)能力和企業(yè)產(chǎn)量規(guī)模的原因， 熔鋁爐的單爐次裝載量大多在30 t 以下。裝載量小，鑄造機(jī)的產(chǎn)品規(guī)格就小，廢料的體積和重量也較小。所以上述的傳統(tǒng)砌筑工藝在長(zhǎng)期的使用過程中，并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的問題，因而被廣泛的采用。但是隨著科技以及企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展，熔鋁爐的單爐次裝載量也變得越來越大。西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司熔鑄廠的這臺(tái)34#熔煉爐單爐次裝載量達(dá)到了75 t。 單塊圓柱形鑄錠廢料的重量也達(dá)到了200 kg 左右。 所以，在使用同一廠家生產(chǎn)的同一牌號(hào)耐火材料的前提下， 以前規(guī)格較小的熔鋁爐爐底耐火材料的使用壽命能超過2 a， 使用爐次在2 000 以上； 而這臺(tái)34#熔煉爐自從新建投產(chǎn)到第一次停產(chǎn)檢修爐底僅過了8 個(gè)月，使用爐次不足700。

1.2 廢料對(duì)爐底沖擊荷載的計(jì)算

對(duì)爐底造成過大沖擊荷載的主要是鑄造質(zhì)量不合格的圓柱形鑄錠廢料，或是端部圓柱形鑄錠（俗稱“切頭切尾廢料”）。 按最壞可能性考慮，廢料墜落時(shí)其長(zhǎng)度方向與爐底工作層不平行， 導(dǎo)致廢料對(duì)單塊爐底耐火磚造成沖擊。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，廢料在裝載過程中減少的動(dòng)能Ek和勢(shì)能Ep應(yīng)該等于爐底耐火材料增加的應(yīng)變能Vεd。

當(dāng)廢料墜落到達(dá)最低點(diǎn)位置時(shí)：

式中：P—廢料的重量，N

h—廢料距爐底耐火材料的距離，m

Δd—爐底耐火材料的位移，m

沖擊荷載Fd和爐底耐火材料的位移Δd之間的關(guān)系如下：

式中：E—爐底耐火材料的彈性模量，Pa

A—高鋁質(zhì)耐火磚的橫截面積，m2

l—高鋁質(zhì)耐火磚的長(zhǎng)度，m

以及按照胡克定律寫出應(yīng)變能Vεd的表達(dá)式：

綜上，推導(dǎo)出廢料對(duì)爐底沖擊荷載Fd的計(jì)算公式：

方程中Δst=Pl/EA，Δst是靜位移， 就是將廢料靜止放在爐底耐火材料上時(shí)，爐底耐火材料的位移。

另外，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，計(jì)算出多層材料的彈性模量E：

式中：ti—為第i 層材料的厚度，m

Ei—為第i 層材料的彈性模量，Pa

將數(shù)值條件：t1=0.3 m，t2=0.18 m，t3=0.12 m，E1=1.7×1010Pa[6]，E2=1.5×1010Pa，E3=5×108Pa 代入多層材料的彈性模量E 的計(jì)算公式， 可得到E=1.31×1010Pa。

再 將 數(shù) 值 條 件：A =9.75 ×10-3m2，l =0.6 m，E =1.31×1010Pa，P=1.96×103N，h=2.5 m 代入Fd的計(jì)算公式，可得到Fd=1.45×106N。然后進(jìn)一步計(jì)算出耐火磚承受的沖擊應(yīng)力。

作為參考，目前市面上的耐火材料生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的高鋁質(zhì)耐火磚抗壓強(qiáng)度普遍在130 MPa 左右。

1.3 改進(jìn)的爐底砌筑工藝

由廢料對(duì)爐底沖擊荷載Fd的計(jì)算公式可知，增大靜位移Δst，或是減小廢料墜落高度h 可以減小相應(yīng)的沖擊荷載。 但墜落高度h 受限于熔鋁爐的幾何構(gòu)造，難以改變。 所以增大靜位移Δst就成了唯一的可行辦法。 在爐底耐火材料工作層和防滲層之間增加一層緩沖層， 可以減小整個(gè)爐底耐火材料的彈性模量E。 因?yàn)棣t與E 成反比，隨著彈性模量E 的減小，靜位移Δst就會(huì)增大。 考慮到維持熔鋁爐的容量不變和經(jīng)濟(jì)爐襯厚度計(jì)算公式， 在不改變?cè)袪t底耐火材料厚度的情況下， 將原有防滲層的厚度由180 mm 減小為80 mm，將原有保溫層的厚度由120 mm 減小為90 mm， 留出130 mm 的空間增設(shè)緩沖層，如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)的熔鋁爐爐底砌筑簡(jiǎn)圖

新增緩沖層的彈性模量要盡可能的小， 才能拉低整個(gè)爐底耐火材料的彈性模量E。 簡(jiǎn)而言之，緩沖層要盡可能的蓬松。 由于防滲層的材料是低水泥不定形耐火澆注料，如果在澆注過程中不添加水泥，該澆注料就無法凝固，也就能保持松散狀態(tài)。 松散狀態(tài)的不定形耐火澆注料的彈性模量與碎石墊層相當(dāng)，可以近似的取E4=6×107Pa。 根據(jù)文獻(xiàn)[5]，再一次計(jì)算出多層材料的彈性模量E′。

將數(shù)值條件：t1=0.3 m，t2=0.08 m，t3=0.09 m，t4=0.13 m，E1=1.7×1010Pa，E2=1.5×1010Pa，E3=5×108Pa，E4=6×107Pa 代入多層材料的彈性模量E′的計(jì)算公式，可得到E′=1.06×1010Pa。 由此計(jì)算出來的廢料對(duì)爐底沖擊荷載Fd′=1.3×106N， 較之原有的砌筑方案減少了10%。 工作層耐火磚承受的沖擊應(yīng)力也減小到133 MPa。

2 改進(jìn)效果

在采用新的砌筑工藝完成檢修工作之后，34#熔鋁爐的爐膛容量以及設(shè)備運(yùn)行過程中爐底鋼結(jié)構(gòu)的溫度與之前的情況基本一致。 設(shè)備檢修期間耐火材料砌筑工作的作業(yè)人員也與此前沒有變化， 采用的耐火材料也都是由同樣的廠家供貨。 34#熔鋁爐在新建完成投產(chǎn)后，第一次檢修的間隔時(shí)間為8 個(gè)月，使用爐次為673；在按照新工藝砌筑爐底后，第二次檢修的間隔時(shí)間為1 年7 個(gè)月，使用爐次為1 728。在取得了明顯成效后，西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司熔鑄廠對(duì)與34#熔鋁爐同等規(guī)模的其余3 臺(tái)熔鋁爐爐底耐火材料的砌筑工藝進(jìn)行了同樣的改進(jìn)，見表1。

表1 砌筑工藝改進(jìn)前后使用情況對(duì)比

3 結(jié)論

從實(shí)際的改進(jìn)效果看來， 增加緩沖層的砌筑新工藝能有效延長(zhǎng)熔鋁爐的使用壽命。 但不可否認(rèn)的是， 僅從改造爐底耐火材料砌筑工藝的角度來思考如何解決頂裝料式熔鋁爐爐底的易損性問題是片面的。 隨著熔鋁爐的裝載量越來越大，廢料的規(guī)格越來越大，爐底易損性的問題會(huì)越來越突出。 所以，根本的解決之道還是要在綜合考慮熔鋁爐的停機(jī)檢修成本和工廠運(yùn)營(yíng)成本的前提下， 先用切割設(shè)備將廢料盡可能地切分成小塊，或是在向熔鋁爐裝載廢料前，先在爐底裝載碎屑或是小塊的原料鋁錠。 當(dāng)然，在各種解決方案中， 改進(jìn)爐底耐火材料的砌筑工藝是最為簡(jiǎn)單易行的。