新型HY-MAC快速導熱火道墻磚研發和應用

張恒海,高應東,呂 博,楊 笠,姚世煥

(1.上海恒洋儀表科技有限公司,上海 200072; 2.沈陽鋁鎂設計研究院,遼寧 沈陽 110001; 3.中鋁公司青海分公司,青海 大通 810100; 4.貴陽鋁鎂設計研究院,貴州 貴陽 550000)

0 前 言

鋁工業是國民經濟和國防建設的重要支柱產業.鋁用陽極是鋁電解槽的心臟,但鋁用陽極亦屬高耗能產業.近年來,隨著我國經濟不斷增長,能源消耗不斷增加,導致陽極生產成本增長幅度較大,給鋁電解行業的生存和發展帶來了極大的制約和影響.而敞開式陽極焙燒爐則是決定鋁用陽極產品質量和能耗高低的最重要環節.為實現降低能耗、延長爐子使用壽命、提高產能和提高產品質量的目的,公司自主研發出一種“新型HY-MAC快速導熱火道墻磚(以下簡稱HY-MAC快速導熱磚)”.其特點是:導熱系數高,約為傳統粘土磚的4倍;耐高溫性能好、耐壓強度大.將HY-MAC快速導熱磚用于砌筑陽極焙燒爐火道墻,采用1 140 ℃低溫、低能耗焙燒法,可使焙燒品溫度達到1 100 ℃,生產出合格的陽極產品.

HY-MAC快速導熱磚經某公司應用了12個周期后,與傳統火道墻對比,焙燒節能效果非常明顯：在同等的火道溫度下,采用HY-MAC快速導熱磚的料箱中,制品溫度要高出70～80 ℃;減少天然氣用量達25%以上(折合35.53 Nm3);提高產能14.2%;預計延長爐子壽命可達3年以上;在確保提高陽極制品質量的同時,大幅度降低了爐子的維護成本及工人的勞動強度.

1 研制的必要性和重要意義

目前,我國鋁用碳素陽極焙燒爐采用火道墻材料,大都是Al2O3含量為50%～60%的高鋁磚,有的甚至采用性能更差的普通粘土磚,材料的荷重軟化溫度和耐壓強度低,導熱系數小.受此限制,目前國內的敞開式陽極焙燒爐普遍熱效率較低,大部分熱量隨著蓄熱、散熱及煙氣損失掉,生產鋁用陽極的能量消耗一般在2.4～3.2 GJ/t,約比國際先進水平高出15～30 kg的當量重油.同時,現有爐子的火道墻壽命也較短,平均使用壽命在4年左右,與國外同類爐子相比差距較大.因此,降低陽極焙燒爐的能耗及提高爐子的使用壽命,一直是我國碳素行業長期探索和研究的重大課題.

多年來,國內外在碳素焙燒爐節能降耗方面,主要從爐體結構、焙燒工藝技術、控制技術和炭塊原材料及燃料品質等方面入手,并未注意到焙燒爐火道墻墻體材料對爐子能耗和使用壽命的影響.

據文獻報道,至今國外也尚未研發出類似HY-MAC的火道墻體材料.針對陽極焙燒爐存在的缺點,把提高火道墻的導熱性能和耐壓強度作為重要突破口,開發出一種導熱系數大和耐壓強度高的火道墻磚.

傳統的鋁、硅系火道墻磚和本文研究的HY-MAC快速導熱磚外觀如圖1所示.

HY-MAC快速導熱磚的研制成功,為實現縮短陽極焙燒(時間)周期，采用低溫、低能耗焙燒法進行陽極生產，提高陽極制品質量和延長爐子使用壽命提供了有利條件,同時也為下游的鋁電解生產降低成本提供了有力保障,對提升行業的經濟效益和社會效益有著重大的意義.

圖1 兩種導熱磚Fig.1 Two kinds of flue wall bricks

2 新型HY-MAC快速導熱火道墻磚與傳統火道墻磚對比

2.1 傳統火道墻磚

目前,我國鋁用碳素企業使用的焙燒爐火道墻磚大都為普通鋁硅系耐火材料,這種材質對于陽極焙燒爐而言,具有明顯的缺陷,特別是導熱系數較低,約為1.1～2.0 W/(m·K);荷重軟化溫度也較低,約為1 350～1 450 ℃(T0.6%),常溫耐壓強度約為40～50 MPa.這些較低的性能指標成為陽極焙燒爐熱效率低、能耗高和爐子使用壽命短的主要原因.某公司52爐室焙燒爐多年生產實踐中暴露的主要問題如下:

(1)傳統火道墻磚導熱系數低,導致爐子熱效率低,造成大量的能源浪費；

(2)傳統火道墻磚荷重軟化溫度和耐壓強度低,造成火道嚴重變形,使用壽命短.

上述52室陽極焙燒爐火道墻所采用的耐火材料(粘土磚)性能指標和目前國內新設計陽極焙燒爐火道墻所采用的耐火材料(高鋁磚)理化性能指標,見表1.

表1 傳統火道墻磚理化性能指標Tab.1 The physical and chemical properties of traditional flue wall bricks

2.2 HY-MAC快速導熱磚

HY-MAC快速導熱磚采用鎂砂即MgO為主要原料,輔之以鎂鋁鉻尖晶石骨料、鉻精礦料及結合劑等多種原料組成.具有比較高的導熱系數,這就促使陽極焙燒爐火道向料箱的傳熱效率大大提高.其理化性能指標見表2.

通過表1和表2的對比,HY-MAC快速導熱磚在試驗溫度1 000 ℃下,導熱系數為4.61 W/(m·K),是普通粘土磚的4倍,是高鋁磚的2.4倍.同時還具有比較高的體積密度、耐壓強度和荷重軟化溫度,其抗變形、抗彎曲和抗侵蝕能力要比傳統火道墻磚強得多.由此可以推斷,快速導熱磚火道具有較高的導熱性和延長壽命的優勢.

表2 HY-MAC快速導熱磚理化性能指標Tab.2 The physical and chemical properties of high-thermal-conductivity bricks

3 新型HY-MAC快速導熱火道墻磚的應用試驗

2011年11月～2012年1月,中鋁青海分公司專門對該項目試驗進行了全程跟蹤測試,分別對燃料消耗和升溫情況進行測量對比.通過三次試驗跟蹤測試,升溫速度基本一致,在同一段升溫時間內(指84 h試驗曲線),試驗火道的溫度降低了60 ℃左右,而料箱制品溫度反而提高了20 ℃,同時制品溫度還提前12 h達到了工藝設定的溫度要求.這說明在低溫、低能耗條件下就能達到制品所需要的溫度,既節能,又省時;既提高了產能,又延長了爐子使用壽命;減少了CO2排放和維修成本,減輕了勞動強度,符合焙燒工藝要求,更符合企業節能減排的理想要求.

測試設備安裝與現場溫度記錄對比見圖2和圖3.

試驗條件下的天然氣消耗量對比見表3；圖4和圖5為三次試驗測試數據對比圖.

圖2 測試設備安裝調試圖Fig.2 The installation and commission of test equipment

圖3 溫度記錄Fig.3 Temperature records

表3 試驗條件下天然氣使用量統計表Tab.3 The statistics of the natural gas usage under the test condition

所在位置

圖5 三次試驗測試數據對比圖Fig.5 The data comparison in all three tests

采用HY-MAC快速導熱磚火道墻和采用傳統材質火道墻在不同條件下，所生產的陽極產品理化指標對比見表4.

表4 陽極產品理化指標對比表Tab.4 The comparison of the physical and chemical properties of anode products

4 結 語

通過生產實踐證明,新型HY-MAC快速導熱火道墻磚實現了節能降耗的目標.由于導熱系數高、耐溫和耐壓強度大等優點,從根本上改變了陽極焙燒爐熱效率低、能耗高、壽命短、維修頻繁、勞動強度大和制品質量合格率低的缺陷;成功實現了用低溫、低能耗焙燒陽極法,降低企業綜合成本30%以上(含電解鋁生產間接節能效益)的目標.三年的目標可收回全部投資,單獨改造火道墻,一年左右可收回投資.

2011年我國碳素產量已達1 000萬t以上.如全部采用新材料磚計算,一年可實現社會經濟效益約29.5億元,減少CO2排放量2 850萬Nm3,經濟效益和社會效益顯著,具有很高的推廣價值和前景,是未來電解鋁可持續發展的必選之路.

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