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(gè)生產(chǎn)線中有著重的作用。從20世紀(jì)90年代貴鋁引進(jìn)法國PECHINEY公司陽極焙燒爐以來，對(duì)國內(nèi)炭素焙燒產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)，火道墻呈現(xiàn)不同程度的變形和損壞?；鸬缐植克荨⒘芽p等導(dǎo)致填充料灌入火道，灌料嚴(yán)重的爐室直接切斷負(fù)壓，造成下游爐室沒有負(fù)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(fēng)、漏料嚴(yán)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(biāo)差，天然氣用量增加，用電負(fù)荷增加，填充料損耗加大。

本文對(duì)在炭素陽極焙燒在設(shè)計(jì)節(jié)能中使用新技術(shù)新材料技術(shù)方案進(jìn)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(dá)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(jìn)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(fèi)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(fù)壓在火道內(nèi)流通不暢，墻體不易維護(hù)。

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(yán)重的火道墻裂縫

圖5 橫墻上下、左右錯(cuò)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(jìn)行維護(hù)修理，但在一個(gè)焙燒周期內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，無法及時(shí)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(duì)于此部分火道墻采取出爐后，進(jìn)行局部重砌在進(jìn)行使用，但是砌筑質(zhì)量不高，一般兩到三個(gè)火焰周期后會(huì)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(yùn)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(gè)爐室不規(guī)則，尤其是在整體火道墻拆除后進(jìn)行重砌時(shí)，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(jì)，這樣的新砌筑墻一般在使用三年左右即會(huì)出現(xiàn)火道墻整體變形。

（6）料箱底部下沉

每個(gè)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(gè)平面上，炭塊底部加熱不均勻，同時(shí)加劇爐室整體損壞程度；爐底粘結(jié)料現(xiàn)象嚴(yán)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(jì)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(duì)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(fēng)機(jī)強(qiáng)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(dá)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(fù)壓損失大，不易升溫，工藝控制困難，每個(gè)爐室有四分之一的炭塊質(zhì)量相對(duì)較差，炭塊不能燒透，理化指標(biāo)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(duì)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(yán)重的直接切斷煙氣通道，造成后面爐室沒有負(fù)壓，存在安全隱患。

從表中可以看出，4臺(tái)焙燒爐的運(yùn)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(duì)焙燒爐造成特別嚴(yán)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(biāo)、增加焙燒爐能耗、增加人工勞動(dòng)強(qiáng)度等?；鸬缐φw變形和墻體裂縫對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，橫墻變形和火道內(nèi)部變窄對(duì)生產(chǎn)造成一般影響。1#～4#焙燒爐特別嚴(yán)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(yán)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(duì)生產(chǎn)的影響

（1）爐況較差

火道墻和橫墻的變形較嚴(yán)重，爐面漏風(fēng)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(fēng)壓力一般在-10至-70Pa，火道墻預(yù)制塊基本沒有漏風(fēng)情況，但火道墻裂紋也較多。漏風(fēng)導(dǎo)致焙燒爐爐況不佳，燃耗大，噸產(chǎn)品天然氣能耗高達(dá)75Nm3。

表1 某公司焙燒爐運(yùn)行10年變形破損統(tǒng)計(jì)表

表2 燒爐變形破損所占比例表

圖7 新節(jié)能設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)火道流場(chǎng)對(duì)比圖

（2）掛焦嚴(yán)重

焙燒爐均存在嚴(yán)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?；鸬缐Ρ诿嬲辰Y(jié)料需要每天進(jìn)行人工清理，清理進(jìn)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(fù)壓分布不均，導(dǎo)致個(gè)別爐室垂直溫差大于80℃以上，水平溫差大于300℃以上，嚴(yán)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(dá)220℃，料箱填充焦表面約180℃。

（5）焙燒爐整體密封效果較差

測(cè)溫測(cè)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(duì)爐室日常維護(hù)時(shí)，沒有對(duì)爐底的粘結(jié)料及時(shí)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(jìn)行了堵塞，但是在進(jìn)入C1后，在鼓風(fēng)機(jī)和冷卻機(jī)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(yán)重，最終頂層炭塊大面氧化。

（7）增加人工勞動(dòng)強(qiáng)度

焙燒爐掛焦嚴(yán)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(jìn)行料箱密封，減少負(fù)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(jì)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(duì)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(dá)1189mm，在此位置的火道墻增加了兩塊拉磚，加強(qiáng)火道墻的整體性能。

（2）看火孔設(shè)計(jì)

火道墻看火孔尺寸直徑達(dá)210mm，可以保證爐子在排煙和冷卻時(shí)具有足夠的尺寸，在加熱運(yùn)行時(shí)火孔插入爐面節(jié)能組件，此時(shí)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(shí)既能減小高溫時(shí)孔的輻射從孔的散熱損失，又能滿足燃燒、測(cè)溫測(cè)壓以及鼓風(fēng)冷卻等要求，并有利于車間的操作和管理。

（3）橫墻設(shè)計(jì)

橫墻全部采用低蠕變磚砌筑，這種材料的抗蠕變能力很強(qiáng)，可以延長爐子的使用壽命。且原爐子排煙時(shí)的插板是從火道口插入密封，這種密封方式在爐子運(yùn)行前期是很好的。但運(yùn)行后期當(dāng)火道墻變形嚴(yán)重時(shí)其密封性能就會(huì)降低，漏風(fēng)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(fù)壓損失增加。而橫墻相對(duì)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(qiáng)輕質(zhì)澆注料制作，既保證了爐頂?shù)膹?qiáng)度又降低了爐頂?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(qiáng)度完全滿足生產(chǎn)要求，缺點(diǎn)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(jì)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(qiáng)度要求又能兼顧節(jié)能效果，同時(shí)爐頂板的壽命還能得到保障。

另外，針對(duì)焙燒爐邊部火道墻在升溫時(shí)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(shí)際解決問題。此次設(shè)計(jì)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(shí)阻力損失保持不變，同時(shí)邊火道靠側(cè)墻側(cè)增加豎縫榫槽解決降低漏風(fēng)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(dòng)周期來彌補(bǔ)，這樣又會(huì)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(jì)中連通火道的內(nèi)襯采用高強(qiáng)輕質(zhì)莫來石材料砌筑，但其密度仍然達(dá)到800kg/m3以上，外壁溫度最高達(dá)85℃以上，其蓄熱和散熱損失還是太多。為了更進(jìn)一步降低蓄熱和散熱損失，本次設(shè)計(jì)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(jì)

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(shí)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?cè)诔ㄩ_式陰極爐的設(shè)計(jì)上采用了高強(qiáng)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(jì)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(shí)際運(yùn)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(dòng)下面采用一層重質(zhì)磚外，其余全部采用高強(qiáng)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(biāo)

表4 紅柱石磚理化指標(biāo)

（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(biāo)

（3）連通火道采用纖維模塊和高溫?zé)岱雷o(hù)涂料

表6 連通火道用纖維模塊理化指標(biāo)

6 結(jié)束語

采用新材料，新技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)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(fēng)，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(jìn)而減少瀝青煙對(duì)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。