張玉平

(中國鋁業(yè)青海分公司， 青海 西寧 810108)

0 前言

在電解鋁用陽極組裝生產(chǎn)流程中，中頻爐被稱為系統(tǒng)的“心臟”，負責鐵水輸出、一個流程完畢磷鐵回收再熔化輸出[1]。因此，中頻爐工作性能的好壞，直接影響陽極組裝工序生產(chǎn)效率、能耗以及澆鑄質(zhì)量。中頻爐工作性能主要分熔化效率和爐齡，其中熔化效率由自身電氣系統(tǒng)所決定，受先天性不可控因素較多；而爐齡長短則與后天人為管理有密切關(guān)系，如使用的爐襯材料、筑爐方法、烘爐工藝、日常維護以及被熔化的爐料成份[2]等。較長周期的爐齡，不但可以保證生產(chǎn)鐵水的連續(xù)供應，有利于生產(chǎn)效率的提升，而且還可以通過計劃性安排停爐確保中頻爐的安全運行。本文結(jié)合工作實踐，有針對性地對影響中頻爐爐襯使用壽命的因素進行分析，探討延長爐壽命的措施，以期為同行業(yè)提供一些借鑒。

1 中頻爐爐襯結(jié)構(gòu)和爐襯壽命對陽極組裝生產(chǎn)的影響

1.1 爐襯結(jié)構(gòu)

1臺按規(guī)范燒結(jié)好的中頻爐爐襯具有典型的三層結(jié)構(gòu)：燒結(jié)層、半燒結(jié)層和疏松層。各層初始厚度約各占爐襯厚度的三分之一，界線清晰，如圖1、圖2所示。

圖1 爐襯結(jié)構(gòu)圖

圖2 爐襯實物圖片

1)燒結(jié)層。表面光滑呈釉面狀，截面內(nèi)無明顯粗大裂紋，是爐壁料在高溫鐵水作用下，使石英砂從β-石英、α-石英、α-磷石英，隨著溫度的逐級提升晶型轉(zhuǎn)變?yōu)棣?方石英燒結(jié)而成的工作面坩堝，形成均勻完整燒結(jié)網(wǎng)絡，具有抗沖擊、耐高溫、耐侵蝕、熱態(tài)穩(wěn)定的特性。

2)半燒結(jié)層。是燒結(jié)層和松散層之間的過渡帶，其作用是緩解燒結(jié)層的應力，阻止燒結(jié)層內(nèi)產(chǎn)生的裂紋向外延伸[3]。

3)松散層。是幾乎沒有燒結(jié)的砂料，其作用是緩沖因體積膨脹和收縮造成的危害。燒結(jié)層產(chǎn)生裂紋造成鉆鐵后松散層起阻擋作用，防止漏爐故障的發(fā)生[4]，同時還有隔熱作用。

1.2 爐襯壽命

某公司陽極組裝工序曾因中頻爐爐襯壽命短，鐵水供應緊張使生產(chǎn)和安全一度陷入被動局面，且異常短的爐齡使作業(yè)人員稍有不慎就會造成漏爐事故，存在極大安全風險。某公司2014年7月爐齡統(tǒng)計情況見表1，正常使用爐齡平均在50爐次，約13天左右，最長不超過60爐次，最短僅用30爐次，約7天，遠遠低于同行業(yè)正常爐齡。

表1 2014年7月份平均爐齡統(tǒng)計

1.3 爐襯壽命對陽極組裝生產(chǎn)的影響

1.3.1 對烘爐時間的影響

由于爐齡短，新老更替需要頻繁刨爐筑爐、啟爐烘爐，尤其烘爐占用時段較長(30 h以上)，導致鐵水供應不足直接影響陽極澆鑄線產(chǎn)量。澆鑄產(chǎn)量低，只有通過額外增加班次才能完成生產(chǎn)任務，給正常烘爐工藝帶來壓力。正常情況烘爐過程安排在澆鑄線計劃檢修停產(chǎn)日，這樣烘爐過程時間比較充足，爐襯燒結(jié)質(zhì)量過關(guān)。

1.3.2 對筑爐質(zhì)量的影響

由于頻繁筑爐，基本達到平均每天筑1臺爐的頻率，最多時抽調(diào)5人分兩組作業(yè)，含當天刨舊爐襯、筑新爐襯，筑爐人員勞動強度非常大，疲勞作業(yè)致使筑爐質(zhì)量變差，尤其是打結(jié)時間和打結(jié)密度很難保證。

1.3.3 對鐵水質(zhì)量的影響

雖然工藝要求鐵水出爐溫度控制在1 400±50 ℃，澆鑄溫度控制在1 350±50 ℃。但按此標準執(zhí)行的鐵水由于黏度大、流動性差，澆包內(nèi)后半包鐵水隨澆鑄作業(yè)過程溫度降低幾乎無法澆鑄，無法及時回爐就被就近倒掉做成了啟熔塊，間接助長了澆鑄線鐵水缺口。

為了滿足澆鑄生產(chǎn)需要，在實際操作中只有通過提高鐵水出爐溫度，來增強鐵水流動性。據(jù)現(xiàn)場實測，能夠滿足澆鑄流動性需要的鐵水，出爐溫度至少在1 520 ℃以上，澆鑄溫度在1 450 ℃以上，出爐時鐵水呈發(fā)亮發(fā)白狀。

1.3.4 對澆鑄質(zhì)量的影響

碳碗內(nèi)澆鑄的磷鐵不滿不實不平整，由于鐵水流動性差、固化快，設計的磷鐵環(huán)注入空間還未填滿，鐵水即被凝固，導致磷鐵澆鑄內(nèi)部、外觀都存在缺陷，從而影響澆鑄整體質(zhì)量。

總之，爐齡短、鐵水供應不足、產(chǎn)量壓力大、鐵水流動性差、出爐溫度高等因素相互制約，形成了惡性循環(huán)，導致生產(chǎn)陷入被動局面。因此要提高中頻爐爐襯的使用壽命，降低其對陽極組裝生產(chǎn)的影響。

2 影響中頻爐爐襯使用壽命的原因

根據(jù)生產(chǎn)實際和經(jīng)驗，影響爐襯使用壽命的因素可能有筑爐材料、筑爐方法、烘爐工藝和日常使用維護。對各項因素逐項進行分析比對，找出影響爐襯使用壽命的根本原因。

2.1 筑爐材料

筑爐材料和同行業(yè)其它單位一樣，使用同廠家同型號的石英砂組合料，且筑爐方法一致，但爐齡卻相差比較大，說明筑爐材料、筑爐方法不是導致爐齡短的主要誘因。

2.2 烘爐工藝

對烘爐工藝的執(zhí)行情況全程跟蹤，用無紙記錄儀全程記錄升溫曲線，以便隨時調(diào)閱每臺爐烘爐期間任何時刻的溫度狀態(tài)，并未發(fā)現(xiàn)異常，也未見好轉(zhuǎn)跡象，說明烘爐工藝不是導致爐齡短的主要誘因。

2.3 日常使用維護

在中頻爐使用方面有明顯的異常點，即需要的鐵水出爐溫度高達1 520 ℃(現(xiàn)場實測)，且此溫度值僅僅是爐內(nèi)鐵水上表面所測溫度，爐襯燒結(jié)層真實溫度遠不止。據(jù)此判斷，導致爐齡異常短的原因應是爐襯燒結(jié)層長期超高溫運行，其影響爐襯壽命的原因分析如下：

2.3.1 爐襯燒結(jié)層石英砂晶形轉(zhuǎn)變

石英砂具有較復雜的晶形轉(zhuǎn)變，燒結(jié)的目的是使爐襯燒結(jié)層石英晶變進行得較為徹底，使燒結(jié)層中含有較多的α-方石英成份，α-方石英形成過程[5]如下：

相關(guān)實驗資料[6]顯示，燒結(jié)層在1 200～1 400 ℃之間隨著溫度不斷升高,燒結(jié)性能逐漸提高,力學性能不斷加強,耐壓強度大幅度提高；當溫度升高到1 500 ℃時,試樣出現(xiàn)微裂紋,其力學性能開始下降。而在日常實際生產(chǎn)中，鐵水出爐溫度達1 520 ℃，即燒結(jié)層實際工作溫度已經(jīng)超出了α-方石英實驗最高強度的范疇，是在存在微裂紋的狀態(tài)下工作，微裂紋極易使鐵水滲入，從而加速了爐襯的劣化。

同時在爐襯材料廠家提供的烘爐工藝要求中，燒結(jié)溫度在1 570～1 600 ℃，實際鐵水溫度1 520 ℃時(燒結(jié)層爐壁溫度必然高于此測量值)已經(jīng)接近極值，因而對爐襯損壞極大，爐壁脫落頻繁。對于燒結(jié)層強度最高點的溫度臨界值，雖然學術(shù)實驗資料和石英砂廠商提供的實踐要求數(shù)據(jù)有些許出入，但實際工作溫度超過或接近極值，導致爐齡壽命較短。

2.3.2 磷鐵成分的影響

追根溯源，爐齡短是因為溫度高，溫度高是因為鐵水流動性差，因此對影響鐵水流動性的五大元素(C、Si、Mn、P、S)進行分析，其化驗結(jié)果見表2。由表2可知，能提高鐵水流動性的磷元素含量并不低，而能降低流動性的硫元素含量則超出標準4.5倍。

表2 鐵水的五大元素化驗結(jié)果對比 %

綜上所述，真正影響中頻爐爐襯壽命的原因是由于日常使用中的爐料- 循環(huán)使用的回爐鐵硫含量太高。

3 提高中頻爐使用壽命的措施

3.1 優(yōu)化磷鐵配方

針對磷鐵成分中硫含量高出標準值4.5倍的問題，借鑒同行業(yè)做法，整體置換磷鐵，選用專業(yè)鐵合金公司配置標準磷鐵予以置換。經(jīng)過整體更換磷鐵后，五大元素完全符合工藝標準要求，見表3。鐵水流動性得到很大改善，不但陽極澆鑄后磷鐵環(huán)平整、飽滿，外觀質(zhì)量得到根本性轉(zhuǎn)變，更重要的是鐵水出爐溫度只需1 350 ℃即可滿足澆鑄需求，爐襯工作溫度大幅下降，爐齡得到保障，中頻爐爐齡平均為57天。

表3 磷鐵更換后五大元素化驗結(jié)果對比 %

3.2 清理回爐鐵

表4 置換新鐵、提高清鐵質(zhì)量后的爐襯壽命

4 經(jīng)濟效益

通過優(yōu)化磷鐵配方和提高回爐鐵清理質(zhì)量，不但改善了鐵水流動性，使陽極組裝塊澆鑄合格率提升3%以上，鐵水損耗減少了10%；而且因降低了鐵水出爐溫度，使爐襯平均使用壽命由原13天延長到70天，滿足了生產(chǎn)鐵水充足供應，確保了中頻爐安全平穩(wěn)運行，節(jié)約了大量筑爐料及人工。經(jīng)測算，按年產(chǎn)20萬t陽極組計，此改進僅合格率提升、筑爐料節(jié)約年產(chǎn)直接經(jīng)濟效益在310萬元以上。

5 結(jié)束語

中頻爐壽命對陽極組裝生產(chǎn)的影響很大，在保證中頻爐筑爐材料、筑爐方法、烘爐工藝、日常使用及維護滿足需求的同時，需要在日常生產(chǎn)中密切關(guān)注磷鐵成份，尤其是硫含量，不但危害大，而且不會在使用中如其他元素一樣因燒損而自然降低，反而隨著回爐鐵的循環(huán)使用越來越高，從而影響磷鐵的整體質(zhì)量。因此，在生產(chǎn)中需要在硫含量較低狀態(tài)時，提前通過各種脫硫方法加以控制，延緩硫含量的上升速度，以防磷鐵成分整體過快劣化。