40 t鋁用混合爐熔池內(nèi)襯失效原因分析及延長內(nèi)襯使用壽命的措施

劉民章

（青海橋頭鋁電股份有限公司，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。混合爐運行狀況的優(yōu)劣直接影響重熔鋁錠的鑄造生產(chǎn)，良好的運行工況不僅可以保證重熔鋁錠高效生產(chǎn)，而且對操作人員的安全也有較高的保證程度。分析鋁用混合爐漏鋁事故案例發(fā)現(xiàn)，除了處理口破損導(dǎo)致漏鋁外，最常見的漏鋁現(xiàn)象出現(xiàn)在混合爐的爐底部位。而爐底漏鋁的發(fā)生則充分說明熔池內(nèi)襯的各個功能層已經(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，電解鋁液是在鋁冶煉廠電解槽中通過氧化鋁的還原反應(yīng)而產(chǎn)生的。當(dāng)電解槽中在產(chǎn)原鋁液達(dá)到一定量時，就必須用虹吸管從電解槽中吸出轉(zhuǎn)至真空抬包中，再運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，混合爐在重熔鋁錠鑄造過程中發(fā)揮著重要作用。

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。各部分的作用如下：

（1）鋼結(jié)構(gòu)骨架：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：爐襯緊靠鋼結(jié)構(gòu)的最外一層為陶瓷纖維構(gòu)成的吸能層，用于吸收爐襯工作中的部分熱膨脹，保護(hù)爐殼。

（3）保溫層：由高鋁磚砌筑而成，主要作用是保持熔池內(nèi)鋁液溫度，減緩?fù)高^工作層向外散失熱量。

（4）工作層：與鋁液直接接觸的熔池表面層稱之為工作層。工作層是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。對于新砌筑或大修后的混合爐，當(dāng)烘爐程序完成并投運后，都要測量爐體四周和爐底鋼結(jié)構(gòu)的溫度，記錄在案，作為日后判斷混合爐是否出現(xiàn)滲鋁的一個標(biāo)志。通常，投運后一周的爐底鋼結(jié)構(gòu)正常的表面溫度應(yīng)低于280 ℃，爐墻表面溫度在80～120 ℃范圍。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。因此，通過爐底傳遞的熱量要比通過爐墻傳遞的熱量大得多，從而導(dǎo)致爐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，說明鋁液已經(jīng)穿過爐襯砌體的各個功能層與鋼結(jié)構(gòu)直接接觸了。表面溫度越高，鋁液滲透程度越嚴(yán)重，反過來說，滲鋁的時間越長。

2.2 混合爐熔池內(nèi)襯失效的原因分析

造成爐襯失效的原因主要包括以下幾個方面的影響：熔池耐火材料表面狀況、熱沖擊、內(nèi)襯所受到的靜壓力大小、耐火材料中的雜質(zhì)組分、固體爐料添加、機(jī)械攪拌、清爐操作等。

2.2.1 熔池耐火材料表面狀況

混合爐熔池工作層是用澆注料搗制而成的。澆注內(nèi)襯時，澆注料中要添加一定量的水，當(dāng)進(jìn)行熔池內(nèi)襯澆注時，這些水就存留于熔池砌體中。烘爐時，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。水分逸出時形成大量微小通道，當(dāng)熔池中注入鋁液時，這些微小的通道就成為鋁液滲入耐火材料內(nèi)襯的起點。

2.2.2 熱沖擊的影響

鋁用混合爐在使用過程中，由于各種原因造成長時間停爐，使?fàn)t襯耐火材料的溫度下降到環(huán)境溫度。重新啟動混合爐時，如果沒有對爐襯進(jìn)行預(yù)熱烘爐而直接將高溫電解鋁液注入熔池內(nèi)，就會使?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，爐襯砌塊之間會出現(xiàn)較大的相互作用力（即熱應(yīng)力）；或者由于某種特殊原因使?fàn)t襯材料在較短的時間內(nèi)由工作溫度驟降到環(huán)境溫度時，也會在爐襯材料中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。爐襯材料中較大熱應(yīng)力的存在，會造成耐火材料爐襯拱起或開裂。由于高溫鋁液的粘度系數(shù)極小，高溫鋁液會迅速沿著裂紋或拱起縫隙滲入耐火材料內(nèi)，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，使縫隙尺寸加大。隨著時間的延長，就會導(dǎo)致熔池內(nèi)襯耐火材料失效[1]。

2.2.3 內(nèi)襯所受到的靜壓力的影響

對鋁液滲入耐火材料影響最大的是熔池的高度。眾所周知，熔池高度尺寸越大，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性，并且對耐火材料有著極好的浸潤性，高溫鋁液通過耐火材料骨料間的微孔、烘爐過程內(nèi)襯材料中自由水和結(jié)晶水氣化逸出所產(chǎn)生的孔洞逐步滲入耐火材料內(nèi)襯?；旌蠣t是以間歇形式運行的，高溫時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）時，滲入內(nèi)襯中的鋁液凝固為固態(tài)。由于金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時會發(fā)生體積收縮，這時，滲入微孔中的鋁與耐火材料之間出現(xiàn)間隙，而這時內(nèi)襯表面失去了鋁液的保護(hù)，運行時鋁液對耐火材料與空氣的隔離作用蕩然無存，使得高溫固態(tài)金屬鋁直接與氧氣接觸，在二者之間發(fā)生氧化反應(yīng)，形成固態(tài)氧化鋁。混合爐周而復(fù)始的填充與排空，使得這一過程反復(fù)進(jìn)行，最終造成鋁液的滲透穿過各個功能層直抵爐底鋼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混合爐耐火材料內(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，還含有一些雜質(zhì)組分，含量最高的雜質(zhì)組分是SiO2。此外還含有一些FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O 及MgO 等，它們都會與高溫電解鋁液發(fā)生反應(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，對內(nèi)襯的失效卻有一定的影響。

2.2.5 堿金屬的影響

對混合爐熔池內(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元素Na元素含量高達(dá)0.008%～0.015%[2]，且在重熔鋁錠生產(chǎn)過程中，要采用清渣劑和打渣劑對混合爐內(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]。它們中均含有大量的堿金屬元素Na 和K，尤其是Na 元素，其沸點相當(dāng)?shù)停瑑H有97.8 ℃。在混合爐的工作溫度下，部分Na 元素會發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)變，升華為Na 蒸汽，這些蒸汽便會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]。

2.2.6 機(jī)械攪拌的影響

對于用電解鋁液生產(chǎn)的重熔鋁錠而言，用戶對重熔鋁錠的品位要求各異，通常用戶要求Fe 含量較高，有時甚至要求Fe含量高達(dá)0.20%。這在正常運行電解槽產(chǎn)出的鋁液中是很難達(dá)到的，必須通過向鋁液中添加鐵劑、適當(dāng)提高混合爐內(nèi)鋁熔體溫度以及加強(qiáng)攪拌來實現(xiàn)。然而，當(dāng)添加鐵劑后，由于鐵劑的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁液，如果攪拌程度不夠，就會造成鐵劑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)會加劇砌體膨脹。另一方面，如果溫度過低，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，提高鐵元素的實收率。但是，在采用機(jī)械攪拌時，如果操作不當(dāng)，攪拌器具會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，從而加速鋁液對熔池內(nèi)襯的浸蝕。

2.2.7 添加固體爐料的影響

在重熔鋁錠生產(chǎn)過程中，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。在此添加過程中，如果操作不當(dāng)，固體爐料就會與熔池內(nèi)襯耐火材料發(fā)生碰撞，長期的不當(dāng)操作必然會對熔池內(nèi)襯造成損傷，導(dǎo)致內(nèi)襯材料過早失效。

2.2.8 清爐操作的影響

混合爐使用一段時間后，由于金屬鋁的高溫氧化、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，便會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。如果在常溫下用機(jī)械方法進(jìn)行清理，在清除掉剛玉瘤的同時，也必然會造成內(nèi)襯損傷?；旌蠣t排空后進(jìn)行熱清爐，剛玉瘤相對比較軟，具有一定的彈性，此時清爐可以減小對爐襯耐火材料的傷害。但由于此時熔池表面的溫度非常高，熱輻射強(qiáng)度比較大，人工清爐時操作人員無法近距離操作，清爐效果非常有限。而采用清爐機(jī)機(jī)械（如攪拌車、扒渣車）進(jìn)行清爐時，也難免會因為熱輻射的影響和車輛操作問題對爐襯材料造成機(jī)械傷害。

3 延長混合爐耐火材料內(nèi)襯壽命的措施

生產(chǎn)實踐表明，采取以下措施可以延長鋁用混合爐耐火材料使用壽命。

（1）選擇雜質(zhì)含量低的耐火材料，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)對所采購的耐火材料進(jìn)行分析，確定其Al2O3含量及SiO2、FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O 及MgO 等雜質(zhì)含量，盡量選用Al2O3含量高、SiO2、FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O及MgO等雜質(zhì)含量低的耐火材料，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)，降低鋁液對耐火材料的浸蝕。

（2）提高筑爐質(zhì)量。在筑爐過程中，應(yīng)派專人對筑爐質(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而導(dǎo)致爐襯失效。

（3）制定合理的烘爐曲線，提高烘爐質(zhì)量?；旌蠣t砌筑完成后，烘爐工序質(zhì)量對耐火材料內(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，只有這樣才能使?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，確保烘爐過程中爐襯不發(fā)生開裂[6]。

（4）采用預(yù)制塊爐襯的新型砌筑工藝方法。預(yù)制塊爐襯砌筑工藝是近些年從國外引進(jìn)的新的鋁用混合爐砌筑工藝方法。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)計成具有一定形狀和尺寸的耐火材料澆注塊，并通過模具設(shè)計、加工和預(yù)制塊澆注和焙燒，最終完成爐襯砌筑的鋁用混合爐砌筑方法。由于爐襯砌體提前在850 ℃以上溫度下預(yù)焙燒了約10 d左右，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，從而避免了烘爐過程中因耐火材料線收縮而導(dǎo)致的爐襯開裂[7-8]。

（5）精煉劑和清渣劑使用的控制。在重熔鋁錠生產(chǎn)過程中，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。如果熔劑使用過量或撒播不均勻，或者撒播在爐墻附近，必然會對爐墻耐火材料內(nèi)襯造成嚴(yán)重傷害。因為溶劑中含有一定量的助溶劑、發(fā)熱劑、引爆劑和防潮劑，這些成分與鋁液接觸會發(fā)生燒渣反應(yīng)，燒渣溫度2 204 ℃[9]，如此高的溫度必然會對耐火材料內(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，因為混合爐爐襯用耐火材料的耐火度低于1 800 ℃。因此，在實際生產(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；二是添加熔劑時，一定要撒播均勻，并在撒播后盡快進(jìn)行攪拌處理，避免熔劑與爐墻長時間接觸。

（6）優(yōu)化固體爐料添加方式。在重熔鋁錠生產(chǎn)過程中，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)，就會發(fā)生固體冷料與混合爐耐火材料內(nèi)襯碰撞，對內(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，應(yīng)當(dāng)用鋼絲繩對固體料進(jìn)行捆綁后再加入熔池中，可以最大程度上避免對爐襯的機(jī)械傷害。

（7）提高攪拌和扒渣車的操作水平。在重熔鋁錠生產(chǎn)過程中，為保證熔池內(nèi)鋁液溫度和化學(xué)成分均勻性，在沒有安裝電磁攪拌裝置的情況下，常使用攪拌（扒渣）車對熔池內(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，就會使扒渣板與熔池底部及四周爐墻耐火內(nèi)襯發(fā)生碰撞，對熔池內(nèi)襯耐火材料造成機(jī)械傷害，影響內(nèi)襯的使用壽命。因此，提高車輛操作人員技術(shù)水平對于減少內(nèi)襯機(jī)械損傷和延長內(nèi)襯壽命有直接關(guān)系。

（8）建立合理的清爐制度?；旌蠣t使用幾個爐次后，爐墻渣線附近就會粘附大量的爐渣，如果不及時清理，就會形成強(qiáng)度較高的剛玉瘤，并與爐墻內(nèi)襯緊密結(jié)合在一起，不僅會造成熔池容積減小，影響混合爐利用率，而且會造成后續(xù)清爐困難，甚至?xí)驗榍鍫t而對爐襯造成嚴(yán)重的損傷。生產(chǎn)實踐表明，在熔池內(nèi)鋁液排空后，立即對混合爐進(jìn)行清爐作業(yè)，可以將對爐襯的機(jī)械傷害減小到最小程度。因為此時爐襯溫度較高，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，可以通過力度的掌握完成清爐。

（9）減小對爐襯的熱沖擊。長時間未使用的混合爐，其耐火材料內(nèi)襯的溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)，重新投用前必須對其進(jìn)行烘爐處理，使內(nèi)襯溫度達(dá)到700 ℃以上方可注鋁，否則會由于鋁液溫度過高而對耐火材料內(nèi)襯產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱沖擊，在內(nèi)襯中積蓄較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)襯開裂。熔池內(nèi)的鋁液鑄造完后，不能以較大的冷卻速率對耐火材料內(nèi)襯進(jìn)行降溫處理，否則也會因為快速冷卻使得耐火材料內(nèi)襯在較短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的線收縮，同樣可以使內(nèi)襯中積蓄較大的收縮應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)襯開裂。

4 結(jié)束語

從熔池內(nèi)襯表表面狀況、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、固體爐料添加和清爐操作等七個方面分析了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、攪拌扒渣車操作、清爐制度以及減小爐襯熱沖擊等九個方面探討了延長混合爐內(nèi)襯使用壽命的措施，希望對同行業(yè)有所借鑒。