樊曉偉 劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

0 前言

鋁用混合爐是鋁電解企業(yè)將高溫電解鋁液轉(zhuǎn)化為重熔鋁錠的最重要的生產(chǎn)設(shè)備。當(dāng)鋁電解槽中的原鋁液達到一定高度時，通過壓縮空氣將電解槽中的電解鋁液吸入到真空抬包中，并用專用的鋁液運輸車將其運送到重熔鋁錠鑄造車間，然后采用天車和人工地面配合或采用虹吸裝置將電解鋁液由真空抬包轉(zhuǎn)注到混合爐中。在混合爐中，通過成分調(diào)配、溫度調(diào)整、除渣除氣處理、攪拌、靜置和扒渣等一系列工序，在16 t/h或20 t/h的連續(xù)鑄造機生產(chǎn)線上，將電解鋁液鑄造成規(guī)格為20 kg的重熔鋁錠。

硅碳棒作為混合爐的加熱元件，在空氣、氮氣和氬氣環(huán)境氣氛中的最高使用溫度可達1 540 ℃。通常情況下，在1 000 ℃的爐溫下可以連續(xù)使用半年左右[1]。然而，某鋁電解廠40 t電熱混合爐在生產(chǎn)運行過程中發(fā)現(xiàn)，硅碳棒電熱元件的使用壽命遠遠達不到半年左右的使用周期，大多數(shù)硅碳棒的使用時間為90天左右，一部分使用壽命只有20～30天，極少數(shù)硅碳棒的使用時間僅有3～5天，這不僅給重熔鋁錠鑄造生產(chǎn)帶來不便，拖延了生產(chǎn)進度，而且增加生產(chǎn)成本，并增大了檢修工人的勞動強度。因此，分析硅碳棒使用壽命短的原因，提出切實可行的延長硅碳棒使用壽命的措施，成為確保重熔鋁錠鑄造生產(chǎn)正?；徒档丸T造成本的重中之重。

1 鋁用混合爐的基本構(gòu)造

某鋁電解廠的重熔鋁錠鑄造車間安裝了4臺容量為40 t的電熱鋁用混合爐。該混合爐采用左右移動的爐蓋開合方式，因此，每臺爐有兩片爐蓋，并采用頂部供熱方式對熔池內(nèi)鋁液進行加熱。爐蓋主體由鋼制焊接構(gòu)架和澆注料預(yù)制塊組合安裝而成。在預(yù)制塊澆注時，根據(jù)硅碳棒的規(guī)格及安裝要求將硅碳棒的安裝位置(安裝孔)預(yù)留出來并在一定溫度下焙燒成形。兩個爐蓋上共均勻安裝有36支“一字”型硅碳棒，兩端均為接線端，其中一端位于兩個爐蓋的中間。由于進入混合爐的電解鋁液溫度較高(800～900 ℃)，為避免局部溫度過高對硅碳棒及接線卡子造成損壞，在兩個爐蓋中間安裝了壓縮空氣管道對該部位進行不間斷降溫，以確保硅碳棒對熔池內(nèi)爐料的正常加熱。

2 硅碳棒損壞的原因分析

硅碳棒是以高純碳化硅為主要原料，經(jīng)過高溫再結(jié)晶處理后制成的非金屬電熱元件，具有耐高溫、抗氧化壽命長、膨脹系數(shù)小、高溫下不變形及單位表面積負荷大等優(yōu)點[2-3]。但是，硅碳棒在常溫下質(zhì)地很硬并具有很大的脆性，在運輸、搬運、存放、安裝和使用過程中，稍有應(yīng)力施加就可能造成硅碳棒產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。在實際生產(chǎn)過程中，造成鋁用混合爐用硅碳棒損壞的原因可能有以下幾個方面：

2.1 運輸、搬運、儲存及安裝過程中的損壞

通常，電解鋁廠鋁用混合爐用的硅碳棒主要是由硅碳棒生產(chǎn)廠家或經(jīng)銷商以一定的包裝形式(通常為簡易木板包裝箱)通過火車或汽車長途運送至電解鋁廠。在裝缷、搬運過程中，稍有不慎就會發(fā)生碰撞或較大的震動，從而造成硅碳棒直接損壞而報廢；另外，還可能在碰撞或震動發(fā)生時，使硅碳棒表面產(chǎn)生肉眼所看不見的微觀裂紋，這種裂紋的產(chǎn)生會使硅碳棒的電阻增大，從而縮短其使用壽命。

2.2 安裝不符合規(guī)范

如果硅碳棒在爐蓋上安裝時不規(guī)范，也會造成硅碳棒在使用過程中損壞。不規(guī)范安裝表現(xiàn)為以下幾方面：

1)爐蓋澆注料預(yù)制塊上安裝硅碳棒的預(yù)留孔直徑過小，在硅碳棒高溫膨脹伸縮時會受到較大阻礙，導(dǎo)致其發(fā)生斷裂。

2)硅碳棒在安裝時沒有進行電阻匹配測量，使得同一時間安裝或更換的硅碳棒的電阻大小不一，也會導(dǎo)致各個硅碳棒在通電加熱時所產(chǎn)生的單位表面負荷差異過大，從而導(dǎo)致單位表面負荷大的硅碳棒過早損壞。

3)硅碳棒安裝接線時，硅碳棒兩個端部的白鋼接線卡子緊固的太緊，過大的緊固力作用使硅碳棒端部產(chǎn)生裂紋，造成硅碳棒有效導(dǎo)電面積減小，或者造成硅碳棒導(dǎo)電面積上的電流密度差異過大，使得硅碳棒通電運行時的溫度差異過大而過早損壞。

4)具有一定規(guī)?；蛘甙惭b同一型號混合爐的電解鋁廠鑄造車間，為確保重熔鋁錠鑄造生產(chǎn)的順利進行，準(zhǔn)備一定數(shù)量的硅碳棒備品很有必要。但是，如果硅碳棒的保存條件較差，如存放環(huán)境潮濕、不通風(fēng)等，就會使得硅碳棒受潮，造成硅碳棒的電阻值增大，甚至在通電運行過程中發(fā)生崩裂而導(dǎo)致硅碳棒損壞。

5)新安裝或更換的硅碳棒開始通電運行時，工作電壓上升過快，即在較短的時間內(nèi)達到較高的工作溫度，也會因為電壓(或溫度)斜率過陡，使硅碳棒內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致硅碳棒產(chǎn)生裂紋或斷裂。

2.3 加料操作不規(guī)范

鋁用混合爐的加料操作包括電解鋁液入爐和固體冷料入爐兩部分。

2.3.1 電解鋁液入爐

通常電解鋁液入爐是利用天車將真空抬包吊運至混合爐入鋁口上方，然后采用人工或電動方式使真空抬包的倒鋁口傾斜，由于抬包包體的直徑大于2 m，因此在電解鋁液入爐過程中，倒鋁口與混合爐的入鋁口之間的距離通常大于1 m。電解鋁液由抬包倒鋁口傾瀉而出進入混合爐中，并與熔池底部耐火材料或爐內(nèi)鋁液發(fā)生激烈碰撞而使鋁液發(fā)生噴濺，當(dāng)鋁液噴濺到硅碳棒表面上時，由于硅碳棒表面存在許多毛細小孔，鋁液會通過這些小孔進入硅碳棒并粘附在硅碳棒表面，從而使硅碳棒在通電運行時局部表面負荷增大而產(chǎn)生更高的工作溫度，導(dǎo)致硅碳棒斷裂。

2.3.2 固體冷料入爐

向混合爐內(nèi)加入固體冷料時，如果操作不當(dāng)，也會發(fā)生上述電解鋁液入爐的現(xiàn)象；而且固體冷料添加過多或其高度超標(biāo)，就會發(fā)生固體冷料與硅碳棒碰撞的現(xiàn)象，導(dǎo)致硅碳棒斷裂。

2.4 硅碳棒長期受熱變形

雖然硅碳棒的熱穩(wěn)定性比較好，但是如果硅碳棒長期在1 000 ℃左右的高溫下運行，也會產(chǎn)生較大的變形。通常，硅碳棒都是通過爐蓋耐火材料預(yù)制塊上的預(yù)留孔水平安裝在爐蓋上的，隨著熱態(tài)運行時間的延長，硅碳棒中部會產(chǎn)生下垂，當(dāng)下垂程度較大時，就會導(dǎo)致硅碳棒從該部位斷裂而報廢。

2.5 氧氣和水蒸氣的長期氧化

由于硅碳棒的使用環(huán)境是在含有大量氧氣和水蒸氣的大氣氣氛中，因此，硅碳棒的主要成分碳化硅也會與空氣中的氧氣和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，使硅碳棒逐漸氧化而發(fā)生老化現(xiàn)象：

(1)

(2)

上述兩個反應(yīng)的持續(xù)進行會在硅碳棒表面生成SiO2，而SiO2的生成又會造成硅碳棒電阻的增加，導(dǎo)致硅碳棒的表面溫度升高，從而加速硅碳棒的氧化消耗，最終造成硅碳棒斷裂。

2.6 檢修操作不當(dāng)

在爐蓋檢修操作時，如果操作不當(dāng)，就會發(fā)生檢修工具(如扳手、手鉗等)與硅碳棒碰撞現(xiàn)象，造成硅碳棒損傷、裂紋甚至斷裂，尤其是當(dāng)硅碳棒使用時間較長時，由于氧氣和水蒸氣的長期氧化，老化現(xiàn)象導(dǎo)致其脆性比新硅碳棒大大增加，添加固體爐料和檢修時更應(yīng)注意這個問題。

3 預(yù)防硅碳棒損壞的措施

結(jié)合硅碳棒的性能特點和造成鋁用混合爐用硅碳棒損壞的可能原因，在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)從以下幾個方面預(yù)防鋁用混合爐硅碳棒的損壞：

3.1 加強運輸、搬運、儲存及安裝過程中硅碳棒的保護

電解鋁廠重熔鋁錠鑄造車間在硅碳棒采購時，應(yīng)對供貨方明確硅碳棒的包裝要求，除了要求提供剛度比較高的外部包裝外，供貨方還應(yīng)在包裝箱內(nèi)添加質(zhì)地較軟而且具有一定厚度的內(nèi)部包裝，在硅碳棒運輸、裝卸過程中發(fā)生震動或碰撞時起到有效的緩沖作用，從而避免硅碳棒的損毀。此外，在搬運硅碳棒過程中，要做到輕拿輕放，避免胡亂拋擲以及不加限制地在硅碳棒包裝箱上碼放其他重物。

3.2 規(guī)范硅碳棒的安裝

1)在制作爐蓋澆注料預(yù)制塊時，應(yīng)將安裝硅碳棒預(yù)留孔的直徑設(shè)計的稍大一些，應(yīng)為硅碳棒兩端部直徑的1.4～1.6倍，使硅碳棒能夠順利通過預(yù)留孔而不與耐火材料發(fā)生碰撞，并且能夠在預(yù)留孔內(nèi)360°自由旋轉(zhuǎn)，確保硅碳棒在受熱時所產(chǎn)生的伸縮不受阻礙。

2) 硅碳棒在安裝時必須進行電阻匹配測量，使得同一時間安裝或更換的硅碳棒保持比較一致的電阻值，減小各個硅碳棒在通電加熱時所產(chǎn)生的單位表面負荷差異，將由于單位表面負荷過大而造成的硅碳棒過早損壞減小到最低程度。

3)硅碳棒安裝接線時，硅碳棒兩個端部的白鋼接線卡子不能一次緊固得太緊，應(yīng)在初步緊固的基礎(chǔ)上通電運行一段時間，使硅碳棒均有一定的高溫塑性后再次緊固，這樣可以有效防止在硅碳棒室溫脆性大(塑性低)的情況下，由于過大緊固力而使硅碳棒端部產(chǎn)生裂紋或破裂；也可以防止由于緊固裂紋的出現(xiàn)造成硅碳棒有效導(dǎo)電面積減小，以及硅碳棒導(dǎo)電面積上的電流密度差異過大，造成硅碳棒通電運行時局部的溫度差異過大而產(chǎn)生的硅碳棒過早損壞。

4)硅碳棒備品備件的保存場地必須干燥通風(fēng)，防止硅碳棒因保存期間淋雨受潮而造成電阻值的增大，進而導(dǎo)致其在通電運行時發(fā)生崩裂。

5)對于新安裝或更換的硅碳棒，開始通電時應(yīng)控制其工作電壓為正常工作電壓的約50%，然后隨著運行時間的延長逐步將其工作電壓提升至正常工作電壓，以避免因升溫過快而導(dǎo)致硅碳棒內(nèi)部應(yīng)力集中的產(chǎn)生，避免硅碳棒產(chǎn)生裂紋或斷裂。

3.3 規(guī)范和改進混合爐的加料作業(yè)

為了避免爐料加入時因鋁液飛濺對硅碳棒造成的損壞，采取以下措施：

1)采用虹吸裝置將電解鋁液由真空抬包中轉(zhuǎn)注進入混合爐熔池中[4]。因為采用虹吸裝置轉(zhuǎn)注電解鋁液時，鋁液是在負壓作用下直接由真空抬包中吸至混合爐的熔池底部，不會與熔池底部耐火材料或熔池內(nèi)的鋁液發(fā)生碰撞，從而避免了鋁液飛濺對硅碳棒造成的損害。

2)向混合爐內(nèi)添加固體冷料時，先用鋼絲繩對固體冷料進行捆綁，然后在天車吊運下將固體冷料慢慢平穩(wěn)地沉入熔池內(nèi)，也可有效防止固體冷料添加過程中鋁液的飛濺對硅碳棒造成的損害。

3.4 減小硅碳棒因長期受熱而產(chǎn)生的變形量

為了減小硅碳棒因長期受熱而產(chǎn)生的變形下垂，在混合爐爐蓋上硅碳棒安裝位置的中心點，對每一支硅碳棒加裝一個由耐火材料燒制而成的支撐架，其有與硅碳棒安裝孔形狀和直徑相同的圓孔，用來對硅碳棒進行支撐，可有效防止硅碳棒因受熱和其自重所產(chǎn)生的變形下垂而產(chǎn)生的損壞。

3.5 減少硅碳棒與空氣的反應(yīng)

由于硅碳棒與氧氣和水蒸氣的反應(yīng)會造成硅碳棒的氧化，因此，減小硅碳棒與氧氣和水蒸氣的接觸可有效降低硅碳棒的氧化。然而，在實際生產(chǎn)中，由于混合爐是在大氣環(huán)境中工作運行，不可能做到與氧氣和水蒸氣不接觸，只能通過以下操作手段減少硅碳棒與空氣的接觸。

1)對于保存環(huán)境濕度較大(如南方地區(qū))且時間比較長的情況，硅碳棒在安裝前，應(yīng)對其進行干燥，以消除硅碳棒表面毛細小孔中所吸附的水分，避免因硅碳棒表面水分的存在而造成的硅碳棒使用過程中的崩裂問題。

2)由于向混合爐中添加的固體冷料(重熔鋁錠廢品)通常都是因表面質(zhì)量或厚薄不一致造成的，其在鑄造生產(chǎn)線上都經(jīng)過了冷卻運輸機(水冷處理)，其表面氧化物中都吸附了大量水分[5]。如果將這樣的固體冷料直接加入混合爐熔池內(nèi)的鋁液中，不僅導(dǎo)致鋁液與水之間發(fā)生劇烈反應(yīng)，造成鋁液飛濺甚至爆炸；而且會有大量水分子遇熱汽化形成水蒸氣，并與硅碳棒發(fā)生反應(yīng)，造成硅碳棒的氧化消耗。因此，固體冷料在加入混合爐前必須進行預(yù)熱，使其溫度達到150～200 ℃，在表面吸附水消失后方可加入爐內(nèi)。

3.6 加強硅碳棒的檢修操作

硅碳棒隨混合爐運行一段時間后，必須對硅碳棒進行檢查檢修。

1)檢查硅碳棒兩端接線白鋼卡子與硅碳棒的接觸是否良好。如果二者之間接觸不好，在通電運行過程中會因為接觸不良而產(chǎn)生打火現(xiàn)象，造成硅碳棒兩端接線部位損壞，甚至報廢，因此，必須對所發(fā)現(xiàn)的緊固螺栓松動情況及時進行處理。

2)及時而仔細地清理加料過程中所產(chǎn)生的硅碳棒表面粘附鋁，消除硅碳棒局部表面負荷過大問題。

3)認真仔細操作，提高檢修操作質(zhì)量，防止檢修過程中因檢修工具與硅碳棒發(fā)生碰撞而導(dǎo)致的硅碳棒損壞。

4 實施效果

上述措施實施后，某鋁電解廠40 t鋁用混合爐硅碳棒的損壞量大幅下降。據(jù)統(tǒng)計，2015年鑄造車間4臺40 t電熱混合爐共損壞硅碳棒350支，2016年硅碳棒的損壞量下降至120只，損壞量下降了65.7%。以每支硅碳棒1 200元計算，年節(jié)約資金約27.6萬元。