鋁用炭素陽極焙燒爐破損分析

金 嶺

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 810600）

1 概述

陽極焙燒爐是炭素生產(chǎn)企業(yè)中重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，在整個生產(chǎn)線中有著重的作用。從20世紀90年代貴鋁引進法國PECHINEY公司陽極焙燒爐以來，對國內(nèi)炭素焙燒產(chǎn)生了深遠的影響，每噸產(chǎn)品的燃料消耗從(5～7.6)＊106kJ降到2.72＊106kJ以下，據(jù)國內(nèi)陽極廠規(guī)模不斷增大、陽極塊規(guī)格也不斷增大的需求，國內(nèi)新建及改造的陽極焙燒爐大多數(shù)廠家采用敞開式焙燒爐。隨著焙燒爐多年的連續(xù)生產(chǎn)運轉(zhuǎn)，火道墻呈現(xiàn)不同程度的變形和損壞?；鸬缐植克?、裂縫等導(dǎo)致填充料灌入火道，灌料嚴重的爐室直接切斷負壓，造成下游爐室沒有負壓，存在安全生產(chǎn)隱患。由于火道墻出現(xiàn)整體變形、墻體大面凹凸不平、墻體裂縫、墻體局部塌陷等情況，焙燒爐火道內(nèi)漏風、漏料嚴重，燃控系統(tǒng)溫度控制難度增大，造成焙燒爐內(nèi)上下溫差、邊部火道與中間火道溫差增大，陽極氧化現(xiàn)象增加，炭塊的外觀質(zhì)量和理化指標差，天然氣用量增加，用電負荷增加，填充料損耗加大。

本文對在炭素陽極焙燒在設(shè)計節(jié)能中使用新技術(shù)新材料技術(shù)方案進行探討分析。

2 焙燒爐變形主要有以下十種表現(xiàn)形式

（1）火道墻整體變形

主要表現(xiàn)為火道墻整體朝一側(cè)彎曲，呈“C形”鼓肚現(xiàn)象，炭塊無法正常裝出爐，變形最寬的料箱達1100mm。炭塊兩側(cè)填充料包裹較厚，溫度傳導(dǎo)緩慢，揮發(fā)分不能正常排出，炭塊燒不透；最窄的料箱在630mm左右,炭塊緊貼爐墻進入料箱，有的炭塊直接無法裝爐，只能在料箱內(nèi)灌入填充料，浪費產(chǎn)能，導(dǎo)致成本增加。

（2）墻體大面凹凸不平

凹凸不平無法正常使用的火道墻約占整體數(shù)量的三分之一左右，凹陷、凸起部位在30mm～110mm之間，見圖1.2-4～6?；鸬缐Π纪共黄皆斐商繅K裝爐困難，火焰負壓在火道內(nèi)流通不暢，墻體不易維護。

圖1 火道墻整體變形

圖2 火道墻大面凸起

圖3 墻體裂縫

圖4 嚴重的火道墻裂縫

圖5 橫墻上下、左右錯位

圖6 橫墻與火道墻偏移

（3）墻體裂縫

墻體裂縫現(xiàn)象比較普遍，在爐室出空后進行維護修理，但在一個焙燒周期內(nèi)還會出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，無法及時處理，導(dǎo)致填充料灌入火道內(nèi)，堵塞煙氣流通，裂縫寬度普遍在10mm～60mm左右。

（4）墻體局部塌陷

墻體局部塌陷是火道墻無法正常使用的主要原因之一，塌陷面積一般在0.5～2m2左右。焙燒過程中出現(xiàn)的墻體塌陷，直接造成炭塊燒損，火道堵塞。對于此部分火道墻采取出爐后，進行局部重砌在進行使用，但是砌筑質(zhì)量不高，一般兩到三個火焰周期后會再次出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。

（5）橫墻整體左右、上下變形

爐室橫墻經(jīng)過10多年運行未，變形橫墻約占總體橫墻量的70%，左右、上下偏移在15mm～230mm之間。橫墻變形導(dǎo)致整個爐室不規(guī)則，尤其是在整體火道墻拆除后進行重砌時，新墻墻體不能完整卡入橫墻卡槽內(nèi)，在升溫降溫的頻繁更替過程中，形成越來越大的收縮縫，造成新砌筑火道墻使用壽命縮減，根據(jù)觀察統(tǒng)計，這樣的新砌筑墻一般在使用三年左右即會出現(xiàn)火道墻整體變形。

（6）料箱底部下沉

每個料箱底部均存在平鋪耐火磚燒損、下沉，見圖1.2-15。底部下沉造成料箱底部與火道底部不在一個平面上，炭塊底部加熱不均勻，同時加劇爐室整體損壞程度；爐底粘結(jié)料現(xiàn)象嚴重，底料無法鋪平部位，需要人工鋪料作業(yè)。

（7）火道變窄

火道內(nèi)寬由原設(shè)計的300mm，變窄的火道內(nèi)寬最窄的不足100mm。變窄火道主要影響煙氣流通，對工藝控制帶來較大難度。

（8）火道墻整體下陷

在高溫灼燒和冷卻風機強制冷卻的作用下，墻體因熱脹冷縮發(fā)生變形，導(dǎo)致局部墻體下沉，見圖1.2-19～20。因相鄰兩條墻體下沉程度不一，高度差達70mm-230mm，造成相鄰兩條火道火焰高低不同，從而造成炭塊兩側(cè)受熱不均勻。

（9）邊火道保溫磚分離

邊火道外側(cè)保溫磚與火道墻分離，中間間隙在200mm以上，見圖1.2-21。保溫磚與火道墻分離造成邊火道保溫效果差，負壓損失大，不易升溫，工藝控制困難，每個爐室有四分之一的炭塊質(zhì)量相對較差，炭塊不能燒透，理化指標沒有保證。

（10）火道內(nèi)灌料

在焙燒過程中，火道墻出現(xiàn)局部塌陷、裂縫等現(xiàn)象，導(dǎo)致填充料灌入火道內(nèi)部。灌料少的影響煙氣流通，對工藝和質(zhì)量影響較大，今年共拆除修復(fù)灌料火道墻84條，占全年已修復(fù)量的近一半，灌料嚴重的直接切斷煙氣通道，造成后面爐室沒有負壓，存在安全隱患。

從表中可以看出，4臺焙燒爐的運行10多年后上述十種變形現(xiàn)象普遍存在，在各種損壞的表現(xiàn)形式中，以墻體大面凹凸不平對焙燒爐造成特別嚴重的影響，主要體現(xiàn)在安全隱患、炭塊的外觀質(zhì)量、理化指標、增加焙燒爐能耗、增加人工勞動強度等?；鸬缐φw變形和墻體裂縫對生產(chǎn)造成嚴重影響，橫墻變形和火道內(nèi)部變窄對生產(chǎn)造成一般影響。1#～4#焙燒爐特別嚴重影響的火道分別占總火道數(shù)的43.8%、30.2%、29.3%和44.8%；嚴重影響的火道分別占總火道數(shù)的58%、49.1%、46.6%和57.7%；幾乎所有火道都存在一般影響。

3 爐子變形破損對生產(chǎn)的影響

（1）爐況較差

火道墻和橫墻的變形較嚴重，爐面漏風主要集中在橫墻附近的預(yù)制塊縫隙和預(yù)制塊表面的凹陷孔隙，漏風壓力一般在-10至-70Pa，火道墻預(yù)制塊基本沒有漏風情況，但火道墻裂紋也較多。漏風導(dǎo)致焙燒爐爐況不佳，燃耗大，噸產(chǎn)品天然氣能耗高達75Nm3。

表1 某公司焙燒爐運行10年變形破損統(tǒng)計表

表2 燒爐變形破損所占比例表

圖7 新節(jié)能設(shè)計與原設(shè)計火道流場對比圖

（2）掛焦嚴重

焙燒爐均存在嚴重的焦油殘留，揮發(fā)分不能順利排出，不能有效利用揮發(fā)分燃燒釋放的熱量。火道墻壁面粘結(jié)料需要每天進行人工清理，清理進一步損壞火道墻，造成惡性循環(huán)。

（3）爐室垂直溫差、水平溫差增加

火道變形造成火道負壓分布不均，導(dǎo)致個別爐室垂直溫差大于80℃以上，水平溫差大于300℃以上，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）爐面溫度高

爐面澆筑塊保溫性能較差，造成爐面溫度高。6P、7P、8P的爐面溫度高達220℃，料箱填充焦表面約180℃。

（5）焙燒爐整體密封效果較差

測溫測壓架處，火道含氧量偏高，特別是邊火道，氧量一般在17%以上，中間火道的氧量也在11%～17%。

（6）影響炭塊外觀質(zhì)量

由于前期對爐室日常維護時，沒有對爐底的粘結(jié)料及時清理，目前導(dǎo)致爐底粘結(jié)料結(jié)焦。清理困難，產(chǎn)生焙燒塊面缺塊。部分爐墻縫隙過大，在裝爐前雖然用石棉進行了堵塞，但是在進入C1后，在鼓風機和冷卻機的作用下，部分縫隙開裂，導(dǎo)致料箱漏料，炭塊氧化。

火道墻燃燒孔凹陷，燃燒階段火焰直接灼燒耐火磚，導(dǎo)致耐火磚局部受熱開裂、塌陷、漏料。炭塊出爐后，爐墻與澆筑塊不平整，耐火磚斷裂，塌陷。導(dǎo)致料箱漏料嚴重，最終頂層炭塊大面氧化。

（7）增加人工勞動強度

焙燒爐掛焦嚴重，人工每天要清理火道墻壁上粘結(jié)料；爐室整體密封效果差，人工每班進行料箱密封，減少負壓泄露；裝入料箱的靠墻塊需要人工撬正處理。

4 焙燒爐新結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

（1）火道墻拉磚

火道墻拉磚采用紅柱石耐火磚，這種材質(zhì)的耐火磚本身對裂紋具有修復(fù)功能，荷重軟化溫度≥1600℃，完全能滿足生產(chǎn)要求。過火孔位置的高度達1189mm，在此位置的火道墻增加了兩塊拉磚，加強火道墻的整體性能。

（2）看火孔設(shè)計

火道墻看火孔尺寸直徑達210mm，可以保證爐子在排煙和冷卻時具有足夠的尺寸，在加熱運行時火孔插入爐面節(jié)能組件，此時的孔的直徑為80mm，這種結(jié)構(gòu)形式與爐面塊結(jié)合緊密，密封良好，同時既能減小高溫時孔的輻射從孔的散熱損失，又能滿足燃燒、測溫測壓以及鼓風冷卻等要求，并有利于車間的操作和管理。

（3）橫墻設(shè)計

橫墻全部采用低蠕變磚砌筑，這種材料的抗蠕變能力很強，可以延長爐子的使用壽命。且原爐子排煙時的插板是從火道口插入密封，這種密封方式在爐子運行前期是很好的。但運行后期當火道墻變形嚴重時其密封性能就會降低，漏風系數(shù)增大，并導(dǎo)致1P的溫度降低，揮發(fā)分燃燒不完全，導(dǎo)致煙道清理頻繁，系統(tǒng)負壓損失增加。而橫墻相對火道墻變形較小，將插板位置移到橫墻接口可以解決。

橫墻爐頂板采用高強輕質(zhì)澆注料制作，既保證了爐頂?shù)膹姸扔纸档土藸t頂?shù)纳釗p失。

（4）火道墻爐頂板采用復(fù)合結(jié)構(gòu)

老式陽極焙燒爐火道墻爐頂板全部采用重質(zhì)澆注料制作，這種材料使用溫度和強度完全滿足生產(chǎn)要求，缺點就是散熱太大，不符合國家的節(jié)能要求。新型的爐頂板設(shè)計則采用輕質(zhì)和重質(zhì)相結(jié)合的符合結(jié)構(gòu)，即滿足車間生產(chǎn)的強度要求又能兼顧節(jié)能效果，同時爐頂板的壽命還能得到保障。

另外，針對焙燒爐邊部火道墻在升溫時溫度滯后，采用生產(chǎn)過程中增加邊火道的燃料加入量造成阻力也增加，不能實際解決問題。此次設(shè)計采用加大邊部火道的截面積，使邊火道在增加煙氣量的同時阻力損失保持不變，同時邊火道靠側(cè)墻側(cè)增加豎縫榫槽解決降低漏風問題。

（5）連通火道采用全纖維模塊結(jié)構(gòu)

陽極焙燒爐拐彎爐室升溫上不去一直是無法解決的問題，導(dǎo)致端部爐室溫度偏低，陽極質(zhì)量要低于中間爐室，部分爐子不得不采用延長火焰移動周期來彌補，這樣又會使產(chǎn)量下降能耗增加。爐體的蓄熱和材料的體積密度有關(guān)，密度越小蓄熱越少，盡管在稍早期爐子設(shè)計中連通火道的內(nèi)襯采用高強輕質(zhì)莫來石材料砌筑，但其密度仍然達到800kg/m3以上，外壁溫度最高達85℃以上，其蓄熱和散熱損失還是太多。為了更進一步降低蓄熱和散熱損失，本次設(shè)計采用全纖維模塊結(jié)構(gòu)，主材的體積密度～220kg/m3，安裝完成后涂刷耐沖刷的高溫涂料保證壽命，外壁溫度可降低到65℃以下，可以更好地改善了拐彎爐室的升溫情況。

（6）側(cè)墻和爐底設(shè)計

側(cè)墻保溫直接影響邊火道的升溫速率。焙燒爐邊火道升溫時比中間火道要滯后，主要就是邊火道一邊給料箱加熱一邊在給側(cè)墻加熱并散熱。近年來我們在敞開式陰極爐的設(shè)計上采用了高強輕質(zhì)材料(體積密度r=750kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.24(400℃)加耐火纖維的保溫方式，這種結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計方式一是提高了爐體的密封性能，二是降低爐子的蓄熱和散熱損失。在實際運用中邊火道的升溫速率完全滿足工藝生產(chǎn)的要求。

爐底部分除火道墻和橫墻膨脹滑動下面采用一層重質(zhì)磚外，其余全部采用高強輕質(zhì)莫來石磚和硅藻土磚鋪設(shè)，降低爐底的蓄熱和散熱損失。

5 節(jié)能爐體內(nèi)襯主要材料及材質(zhì)

（1）火道墻和橫墻

火道墻和橫墻采用低蠕變磚和紅柱石磚砌筑

表3 低蠕變磚理化指標

表4 紅柱石磚理化指標

（2）澆注料

澆注料用于火道墻爐頂板制作復(fù)合結(jié)構(gòu)墻，橫墻爐頂板和端墻爐頂板的制作、爐底找平和側(cè)墻和爐殼之間的密封。

表5 澆注料理化指標

（3）連通火道采用纖維模塊和高溫熱防護涂料

表6 連通火道用纖維模塊理化指標

6 結(jié)束語

采用新材料，新技術(shù)設(shè)計后的敞開式陽極焙燒爐，焙燒工序單位產(chǎn)品綜合能耗由改造前99.66kgce/t降至74.24kgce/t，降低了25.42kgce/t，噸產(chǎn)品天然氣能耗降低到55Nm3以下，填充料燒損低于10kg。焙燒曲線更加合理，料箱內(nèi)陽極的垂直溫差和水平溫差小，其中垂直溫差小于50℃，水平溫差小于20℃，產(chǎn)品質(zhì)量得到很大提高。同時焙燒爐各方面性能有所提高，一方面提高焙燒爐的密閉性，減少漏風，從而減少廢氣量的產(chǎn)生，另一方面排出揮發(fā)分的燃燒更充分，進而減少瀝青煙對工作環(huán)境的污染。有利于空氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的改善，具有較大的環(huán)境效益，焙燒爐的壽命可以延長至10～12年。