劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100)

0 前言

預(yù)焙陽極是鋁電解槽的“心臟”，預(yù)焙陽極炭塊質(zhì)量的好壞直接影響鋁電解槽的運(yùn)行工況和鋁電解成本。而預(yù)焙陽極質(zhì)量的優(yōu)劣，不但與陽極生產(chǎn)所使用的原材料、混捏成型工藝、焙燒工藝以及陽極組裝工藝有關(guān)，還與陽極焙燒爐的運(yùn)行工況有很大的關(guān)系。焙燒爐的運(yùn)行工況良好，陽極炭塊的各種理化指標(biāo)優(yōu)良(如強(qiáng)度高、電阻率低等)，可以促進(jìn)和保持比較高的電流效率，從而降低噸鋁成本。因此，保持良好的焙燒爐運(yùn)行工況十分重要。根據(jù)國內(nèi)預(yù)焙陽極焙燒爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通常，陽極焙燒爐的使用壽命為8～10年[1]。但是，在實(shí)際運(yùn)行中，要達(dá)到8年的使用壽命很困難，因?yàn)橛绊懕簾隣t使用壽命的因素非常多。10多年來，國內(nèi)許多研究人員和預(yù)焙陽極生產(chǎn)工藝技術(shù)人員對如何延長焙燒爐的使用壽命進(jìn)行了大量的研究和探討[2-6]，并取得了許多成果。然而，以前的研究都是偏重于某一點(diǎn)或者某個(gè)方面，不能完全反映影響焙燒爐使用壽命的因素，所以所制定的措施也不是十分充分和完善。因此，分析影響陽極焙燒爐使用壽命的因素，制定完善的應(yīng)對措施并加以實(shí)施，對于延長陽極焙燒爐使用壽命，進(jìn)而降低陽極生產(chǎn)成本和噸鋁成本，很有必要。

1 影響陽極焙燒爐使用壽命的因素分析

總體來說，影響陽極焙燒爐使用壽命的主要因素包括筑爐材料質(zhì)量、筑爐質(zhì)量、烘爐質(zhì)量、操作質(zhì)量、陽極炭塊中堿金屬含量和日常維護(hù)管理等。

1.1 筑爐材料質(zhì)量的影響

筑爐材料質(zhì)量對陽極焙燒爐使用壽命有重要影響。陽極焙燒爐用筑爐材料主要是Al2O3-SiO2系耐火材料及其制品，如火道墻磚、火道墻拉磚和橫墻磚等。耐火磚制品的質(zhì)量要求項(xiàng)目包括Al2O3含量、Fe2O3含量、K2O+Na2O含量、耐火溫度、0.2 MPa荷重軟化開始溫度、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、高溫抗折強(qiáng)度、高溫蠕變率、加熱永久線變化率和熱震穩(wěn)定性。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，炭素廠所購買的陽極焙燒爐耐火制品往往無法完全滿足所有的性能指標(biāo)要求，從而給焙燒爐使用壽命埋下了隱患。此外，由于耐火材料市場的激烈競爭，一些小型耐火材料生產(chǎn)廠以低于市場價(jià)格的競爭優(yōu)勢，利用回收的廢舊陽極焙燒爐耐火磚，經(jīng)過重新加工生產(chǎn)耐火制品，也對一些炭素制品生產(chǎn)廠造成了很大影響。因?yàn)樵陂L達(dá)5～8年的陽極焙燒生產(chǎn)過程中，大量來自陽極炭塊的堿金屬K和Na被Al2O3-SiO2耐火材料所吸收，并與耐火材料的組織發(fā)生反應(yīng)，形成新的膨脹相鉀霞石(含K)和霞石(含Na)，而這兩種新的膨脹相均會造成耐火材料結(jié)構(gòu)的損害，從而加速陽極焙燒爐耐火磚的失效[7-8]。由于失效后的鋁硅酸鹽耐火材料中含有數(shù)量較多(遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求)的堿金屬K和Na，從而使得利用回收廢舊陽極焙燒爐耐火磚所生產(chǎn)的“新”火道墻磚的應(yīng)用，從一開始就對陽極焙燒爐使用壽命帶來了極大的隱患。

目前，在陽極焙燒爐砌筑時(shí)，有的炭素廠采用包工包料的交鑰匙工程，有的則采用由炭素廠提供筑爐材料，由施工方負(fù)責(zé)筑爐操作。后者為保證陽極焙燒爐質(zhì)量，可以采購高品質(zhì)的筑爐材料，然而，如果采用前者，施工方為降低筑爐成本獲取更大的利潤空間，很可能采購不符合筑爐要求的筑爐材料，再加之如果炭素廠方對筑爐材料質(zhì)量監(jiān)督不力，就會將不合格的耐火磚用于陽極焙燒爐的火道墻中。不合格耐火磚的使用必然導(dǎo)致陽極焙燒爐使用壽命縮短。如果耐火材料的氧化鋁含量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)、顯氣孔率高、0.2 MPa荷重軟化開始溫度低、常溫耐壓強(qiáng)度低、高溫抗折強(qiáng)度低以及耐熱震性能差等，很容易導(dǎo)致火道墻變形與塌陷[9]。

1.2 筑爐質(zhì)量的影響

在耐火材料質(zhì)量得到保證的前提下，筑爐工序是陽極焙燒爐使用壽命的重要影響因素之一。從理論上講，砌筑時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照事先制定的砌筑方案進(jìn)行砌筑施工，然而，在實(shí)際操作中，很可能出現(xiàn)磚縫的砂漿飽和度不夠、應(yīng)該使用石棉氈進(jìn)行密封的地方?jīng)]有用石棉氈等問題，從而造成火道墻磚之間縫隙過大、密封程度不夠，導(dǎo)致焙燒爐正常使用過程中漏風(fēng)嚴(yán)重以及填充料滲漏嚴(yán)重，這些砌筑缺陷均會對陽極焙燒爐的使用壽命產(chǎn)生不利的影響。

1.3 烘爐質(zhì)量的影響

焙燒爐烘爐的目的是排出爐體內(nèi)的水分，使整個(gè)爐室形成一個(gè)整體達(dá)到使用效果，因而焙燒爐烘爐質(zhì)量的好壞，直接影響焙燒爐的使用壽命[10]。從理論上來講，要保證焙燒爐的烘爐質(zhì)量，只需要考慮耐火材料的熱膨脹系數(shù)即可，即在新建或大修的焙燒爐爐室內(nèi)全部填裝廢的熟塊，然后按一定的升溫速率進(jìn)行升溫，就能保證焙燒爐的烘爐質(zhì)量，也就是說，在升溫過程中，除了燃料燃燒外，沒有揮發(fā)分的逸出與燃燒發(fā)生。然而，企業(yè)必定是要追求最大的經(jīng)濟(jì)效益，在烘爐的同時(shí)進(jìn)行生陽極的焙燒，可使經(jīng)濟(jì)效益最大化，但如此一來，就使得烘爐過程復(fù)雜化。從長遠(yuǎn)角度出發(fā)，首先必須考慮的是烘爐質(zhì)量；另一方面，也必須兼顧烘爐過程所焙燒陽極的質(zhì)量能夠滿足鋁電解過程的要求。

在焙燒爐烘爐過程中，火道溫度會達(dá)到或超過1 200 ℃，因此有人認(rèn)為如此處理就可以穩(wěn)定耐火材料的使用性能，但其實(shí)這卻嚴(yán)重破壞了耐火材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致荷重軟化性能遭到破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致基礎(chǔ)薄弱的爐墻發(fā)生坍塌[2]。升溫速率對焙燒爐的烘爐效果影響極大，特別是在烘爐初始階段，由于砌體處于常溫，如果升溫速率太快，將會在耐火材料體內(nèi)形成較大的熱應(yīng)力和應(yīng)力集中，造成砌體開裂，從而導(dǎo)致焙燒爐使用壽命降低。此外，在焙燒爐烘爐結(jié)束后，如果在爐溫比較高的情況下出爐，同樣冷卻速率過快也會造成爐體產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致爐體開裂，二者均會對焙燒爐使用壽命造成嚴(yán)重影響。

1.4 操作質(zhì)量的影響

在實(shí)際生產(chǎn)操作中，經(jīng)常會出現(xiàn)以下幾種影響焙燒爐使用壽命的不規(guī)范操作：

1)火道墻修理與裝爐操作同步進(jìn)行，導(dǎo)致施工材料混入陽極填充料中。

2)裝爐的陽極炭塊與兩側(cè)火道墻之間的距離不均勻，一些炭塊非?？拷鸬缐?，而另一些炭塊則與火道墻的距離較大，從而造成填充料分布不均勻。

3)在裝、卸爐過程中，由于天車工操作和爐面指揮人員失誤，造成炭塊與火道墻之間的機(jī)械碰撞，導(dǎo)致火道墻變形，尤其是在高溫出爐時(shí)發(fā)生碰撞危害更大。

4)布料管和吸料管操作不當(dāng)損傷爐面砌塊和料箱。

5)長期采用同一燃燒方向運(yùn)行焙燒爐，造成焙燒爐局部由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生火道墻嚴(yán)重變形，導(dǎo)致裝卸爐困難而損傷火道墻。

上述不規(guī)范操作均會影響焙燒爐使用壽命，因此，焙燒爐的操作運(yùn)行質(zhì)量對焙燒爐使用壽命的影響不容忽視。

1.5 陽極炭塊中堿金屬含量的影響

劉民章[11]系統(tǒng)分析了陽極焙燒爐火道墻中堿金屬的來源、危害及其控制途徑。文獻(xiàn)指出，由于預(yù)焙陽極生產(chǎn)中使用了大約15%～30%的殘極，且在電解槽中陽極一直有大約150 mm浸沒在電解質(zhì)中，故電解質(zhì)中的一部分K、Na會通過殘極循環(huán)利用帶入生陽極炭塊中(粗殘中的Na含量約為9 337×10-6；細(xì)殘中的Na含量約為3 771×10-6)；另外，預(yù)焙陽極生產(chǎn)的主要原料煅后焦中的Na含量也高達(dá)30×10-6，以及陽極生產(chǎn)所使用的粘結(jié)劑煤焦油瀝青中也含有0.003%～0.01%的Na。這幾個(gè)方面構(gòu)成了預(yù)焙陽極生塊中堿金屬的主要來源，在焙燒過程中滲入焙燒爐火道墻磚中，并通過與火道墻磚耐火材料組元的反應(yīng)，形成對耐火材料具有嚴(yán)重危害的膨脹相鉀霞石(含K)和霞石(含Na)，從而使耐火材料失效。

1.6 日常維護(hù)管理的影響

陽極焙燒爐的日常維護(hù)管理對于延長其使用壽命非常重要。在焙燒爐的運(yùn)行過程中，由于種種原因，不可避免地會出現(xiàn)火道墻的局部破損、變形甚至爐面砌塊塌陷等，如果對于剛剛出現(xiàn)的較小缺陷不記錄和及時(shí)處理，那么，時(shí)間稍長，小缺陷將會發(fā)展成大缺陷，不但會增加焙燒爐維護(hù)保養(yǎng)的難度和工作量，還將對焙燒爐的使用壽命造成更大的影響。對于管理嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的焙燒車間來說，焙燒爐運(yùn)行工況的建檔、設(shè)備故障的及時(shí)檢查與登記、故障出現(xiàn)時(shí)間、類型與產(chǎn)生原因、處理方法以及處理效果等，應(yīng)該在設(shè)備檔案中一目了然，以便再次出現(xiàn)類似故障及其處理時(shí)有可以查閱和借鑒的依據(jù)。

2 延長陽極焙燒爐使用壽命的措施

2.1 控制耐火材料質(zhì)量

在陽極焙燒爐新建或大修時(shí)，要嚴(yán)格控制爐用耐火材料的質(zhì)量。一是從信譽(yù)度良好的耐火材料生產(chǎn)廠家采購耐火材料；二是嚴(yán)格執(zhí)行有色行業(yè)陽極焙燒爐用耐火材料標(biāo)準(zhǔn)；三是在耐火材料進(jìn)廠后，要委托有檢測資質(zhì)的單位對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的項(xiàng)目進(jìn)行逐一嚴(yán)格檢測，尤其是要對耐火材料的氧化鋁含量、顯氣孔率、0.2 MPa荷重軟化開始溫度、常溫耐壓強(qiáng)度、高溫抗折強(qiáng)度和耐熱震性能等進(jìn)行檢測。此外，為了防止焙燒爐廢棄火道墻磚的“回用”，耐火磚中堿金屬Na、K含量應(yīng)作為一個(gè)重點(diǎn)的檢測分析與控制項(xiàng)目。對于經(jīng)檢測不合格的耐火材料，應(yīng)堅(jiān)決退貨，不能將帶有隱患的耐火材料用于焙燒爐砌體中。

2.2 控制筑爐質(zhì)量

無論是炭素廠具備焙燒爐砌筑能力，還是采用交鑰匙工程，在焙燒爐砌筑過程中，一定要按照制定的焙燒爐砌筑施工方案進(jìn)行砌筑作業(yè)。在焙燒爐砌筑時(shí)，炭素廠應(yīng)指派經(jīng)驗(yàn)豐富、有良好現(xiàn)場協(xié)調(diào)能力的人員對施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，如果條件允許的話，也可從專業(yè)機(jī)構(gòu)聘請專業(yè)的工程監(jiān)理人員對施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督檢查，并認(rèn)真做好監(jiān)理記錄。尤其是對火道墻，應(yīng)嚴(yán)格控制磚縫大小和灰漿飽和度，不得出現(xiàn)空縫，不得向磚縫中補(bǔ)罐灰漿。另外，在砌筑過程中，要嚴(yán)格控制火道墻的密封措施。

2.3 控制烘爐質(zhì)量

從以下幾個(gè)方面控制焙燒爐的烘爐質(zhì)量：

1)爐體砌筑完成后，因其他設(shè)備未安裝完畢，生產(chǎn)條件受到限制，尤其在冬季對新砌筑的焙燒爐應(yīng)進(jìn)行保溫，保證各爐室、料箱溫度控制在5～10 ℃，防止?fàn)t室凍裂。

2)選用合理的烘爐曲線，尤其在300、800和1 150 ℃這幾個(gè)影響耐火材料性能的關(guān)鍵階段，一定要控制得當(dāng)，確保耐火材料性能穩(wěn)定，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會遭到破壞。

3)嚴(yán)格按照預(yù)定的烘爐升溫曲線進(jìn)行升溫，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)際溫度與升溫曲線不符時(shí)，應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整溫度偏差使其符合曲線要求。

4)烘爐程序完成后，嚴(yán)格按照冷卻曲線進(jìn)行爐體降溫，當(dāng)爐內(nèi)炭塊溫度冷卻至低于200 ℃時(shí)，方可進(jìn)行出爐作業(yè)。

2.4 控制焙燒爐運(yùn)行操作質(zhì)量

應(yīng)從以下幾個(gè)方面強(qiáng)化焙燒爐運(yùn)行操作質(zhì)量：

1)提高天車操作人員的操作技能，在裝爐和出爐過程中熟練掌握炭塊裝/出爐的位置準(zhǔn)確性，避免在裝/出爐過程中陽極炭塊與火道墻發(fā)生碰撞而對火道墻造成的機(jī)械損傷；同時(shí)，爐面指揮人員也應(yīng)加強(qiáng)與天車操作人員的溝通協(xié)調(diào)，避免因指揮失誤而造成陽極炭塊與火道墻碰撞的事件發(fā)生。

2)定期調(diào)整燃燒系統(tǒng)的火焰方向，實(shí)行燃燒火焰逆運(yùn)行，避免長期同一方向燃燒火焰對火道墻造成的永久性變形。在陽極焙燒生產(chǎn)中，由于長期采用固定的燃燒方式和火焰移動方式，火道溫度特別是局部過高的溫度也呈固定分布。長期的高溫灼燒及循環(huán)生產(chǎn)，往往會造成端墻規(guī)則性變形彎曲、火道墻規(guī)則性凹陷、凸包及老化變形，導(dǎo)致大量火焰負(fù)壓擠死、料箱變窄和填充料滲漏等，嚴(yán)重影響焙燒爐使用壽命[12]。在對焙燒設(shè)備進(jìn)行局部改造的基礎(chǔ)上，定期將焙燒爐的火焰方向調(diào)整為與原來運(yùn)行方向相反的方向上，可以在很大程度上減緩上述問題的出現(xiàn)，從而延長焙燒爐的使用壽命，而且對焙燒陽極炭塊的質(zhì)量沒有任何不良影響[12-13]。

2.5 控制預(yù)焙陽極原材料中堿金屬含量

預(yù)焙陽極中的堿金屬K、Na不僅對火道墻磚有很大的危害，而且對陽極炭塊的CO2反應(yīng)性和空氣反應(yīng)性有極大的影響，Na的存在使得電解過程中的陽極消耗增加。因此，必須控制通過各種途徑進(jìn)入陽極焙燒爐中的堿金屬含量。

1)控制耐火材料中的堿金屬含量。陽極焙燒爐砌筑時(shí)，要嚴(yán)格按照行業(yè)規(guī)定的工業(yè)爐窯耐火材料標(biāo)準(zhǔn)選擇耐火磚。對于所采購的耐火磚，必須進(jìn)行雜質(zhì)含量分析檢測，將包括堿金屬在內(nèi)的雜質(zhì)含量控制在最低程度。

2)控制回收殘極中的堿金屬含量。由于陽極焙燒爐中的鈉主要來源于回收利用的殘極，而在火道墻磚的腐蝕中，來自殘極的高鈉含量起著至關(guān)重要的作用。因此，殘極清理是控制火道墻耐火磚中鈉含量的重要途徑。采用人工清理往往使得殘極中仍然保持較高含量的鈉；而采用殘極自動清理機(jī)則可以將殘極中的鈉含量降低至(60～83)×10-6，從而大大減少了通過生陽極進(jìn)入焙燒爐的鈉含量[14]。

3)作為預(yù)焙陽極的粘結(jié)劑，“無鈉低灰”煤瀝青中的鈉含量(3×10-6～10×10-6)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用煤瀝青中的鈉含量(0.000 3%～0.1%)[15]，因此，用“無鈉低灰”煤瀝青代替常用煤瀝青作為預(yù)焙陽極粘結(jié)劑，也可以在一定程度上減少通過生陽極進(jìn)入火道墻磚中的鈉含量。

2.6 在陽極焙燒爐中應(yīng)用新材料和新技術(shù)

1)在陽極焙燒爐砌筑時(shí)，采用低蠕變莫來石火道墻磚，以降低火道墻磚的高溫蠕變率，提高荷重軟化點(diǎn)及抗熱震穩(wěn)定性[16]，延長焙燒爐使用壽命。

2)在陽極焙燒爐砌筑時(shí)，采用新型HY-MAC快速導(dǎo)熱火道墻磚，通過提高火道墻磚的導(dǎo)熱系數(shù)、耐高溫性能和耐壓強(qiáng)度，延長焙燒爐使用壽命[17]。

3)在陽極焙燒爐砌筑時(shí)，用離線砌筑技術(shù)代替現(xiàn)有的爐內(nèi)砌筑技術(shù)，通過增加自然干燥期，解決剛砌完未進(jìn)行干燥及嚴(yán)格烘爐管理就進(jìn)入系統(tǒng)升溫而存在的不足，提高砌筑質(zhì)量，延長使用壽命[18]。

4)在陽極焙燒爐砌筑時(shí)，采用鎖扣式透氣砌塊火道墻，取消常規(guī)砌筑火道墻中的豎縫，提高火道墻的整體性，可有效延遲火道墻墻體的開裂時(shí)間，從而延長焙燒爐使用壽命[19]。

3 結(jié)束語

陽極焙燒爐的運(yùn)行工況及使用壽命關(guān)系到預(yù)焙陽極的正常生產(chǎn)、陽極質(zhì)量和生產(chǎn)成本，對鋁電解過程的正常進(jìn)行有著重要影響。保持良好的焙燒爐運(yùn)行工況并延長其使用壽命非常重要。因此，全面分析影響陽極焙燒爐使用壽命的因素并制定切實(shí)有效的應(yīng)對措施，對于保持良好的運(yùn)行工況和延長使用壽命是非常必要的。