鋁用混合爐熔池內襯失效原因分析及延長使用壽命的措施

劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

0 前言

混合爐是鋁冶煉廠將電解原鋁液轉化為重熔鋁錠的重要設備之一?；旌蠣t運行狀況的優劣直接影響重熔鋁錠鑄造生產。良好的運行工況不僅可以保證重熔鋁錠高效生產，而且也可以保障操作人員安全。通過分析鋁用混合爐漏鋁事故案例發現，除了出鋁口破損導致漏鋁外，最常見的漏鋁事故出現在混合爐的爐底部位。而爐底漏鋁的發生則充分說明熔池內襯的各個功能層已經失去了其應有的防滲功能。因此，分析鋁用混合爐熔池內襯失效的原因，對于混合爐內襯材料的選擇、熔池砌筑、熔池的清理與維護、保持熔池使用壽命都有著重要的意義。

1 混合爐熔池的作用及其主要構成

1.1 混合爐熔池的作用

眾所周知，電解鋁液是鋁冶煉廠電解槽氧化鋁還原反應產生的產物。當電解槽中在產原鋁液達到一定量時，就必須用虹吸管將其從電解槽中吸出轉至真空抬包中，再運送至重熔鋁錠鑄造車間轉注到混合爐熔池內，進行成分和溫度調整，經過除渣、除氣、攪拌、靜置和扒渣等一系列工序后，鑄造成一定規格的重熔鋁錠。由此可見，混合爐在重熔鋁錠鑄造過程中發揮著重要的作用。

1.2 混合爐熔池的主要構成

混合爐熔池主要由鋼結構骨架、吸能層、保溫層和工作層組成，如圖1所示。各部分的作用如下：

圖1 鋁用混合爐熔池的主要構成示意圖

1) 鋼結構骨架的作用是固定混合爐熔池內襯材料，承載熔池內襯和鋁液重量。

2) 吸能層是爐襯緊靠鋼結構的最外一層陶瓷纖維，用于吸收爐襯工作中的部分熱膨脹，保護爐殼。

3) 保溫層是由高鋁磚砌筑而成，主要作用是保持熔池內鋁液溫度，減少透過工作層向外散失的熱量。

4) 工作層是與鋁液直接接觸的熔池表面層。由耐火澆注料澆注而成，其作用除了承載鋁液重量和高溫外，還有抵抗鋁液滲透防止熔池漏鋁的作用。

2 混合爐熔池內襯失效的原因分析

2.1 混合爐熔池內襯失效的特征

熔池內襯失效最顯著的特征就是混合爐爐體外殼鋼結構溫度異常升高。新砌筑或大修后的混合爐在烘爐程序完成并投運后，都要測量爐體四周和爐底鋼結構的溫度并記錄在案，作為日后判斷混合爐是否出現滲鋁的一個標準。通常，投運一周后爐底鋼結構正常的表面溫度應低于280 ℃，爐墻表面溫度為80～120 ℃。原因是在混合爐熔池內，承載著約35 t的高溫鋁液，爐底承受著鋁液垂直靜壓力，而爐墻則承受鋁液的水平靜壓力。眾所周知，在剛性容器內，垂直靜壓力要遠遠大于水平靜壓力。所以通過爐底傳遞的熱量遠多于通過爐墻傳遞的熱量，從而導致爐底溫度比爐墻溫度高。因此，如果爐底或爐墻鋼結構表面溫度出現異常升高，說明鋁液已經穿過爐襯砌體的各個功能層直接接觸鋼結構了。表面溫度越高，說明鋁液滲透程度越嚴重，即滲鋁的時間越長。

2.2 混合爐熔池內襯失效的原因分析

造成爐襯失效的的影響因素主要有以下幾方面，如熔池耐火材料表面狀況、熱沖擊、內襯所受靜壓力大小、耐火材料中的雜質成分、固體爐料添加操作、機械攪拌、清爐操作等。

2.2.1 熔池耐火材料表面狀況的影響

混合爐熔池工作層是由澆注料搗制而成的。澆注內襯時，澆注料中要添加一定量的水，這些水就存留于熔池砌體中。烘爐時，隨著耐火材料溫度的升高，水發生汽化，并以高于環境氣壓的壓力從耐火材料中逸出。水分逸出時形成大量微小通道，當鋁液注入熔池中時，就沿著這些微小通道滲入耐火材料內襯中。

2.2.2 熱沖擊的影響

鋁用混合爐在使用過程中，因各種原因而長時間停爐時，爐襯耐火材料的溫度降低到環境溫度。重新啟動混合爐時，如果沒有對爐襯進行預熱烘爐就直接將高溫電解鋁液注入熔池內，就會使爐襯耐火材料受到極大的熱沖擊，并產生較大的熱膨脹，爐襯砌塊之間會出現較大的相互作用力(即熱應力)；此外，由于某種特殊原因，爐襯材料在較短的時間內由工作溫度驟降至環境溫度時，也會在爐襯材料中產生較大的熱應力。當爐襯材料中存在較大的熱應力時，會產生拱起或開裂。由于高溫鋁液的粘度系數極小，高溫鋁液會迅速沿著裂紋或拱起縫隙滲入耐火材料，并在縫隙內被氧化生成Al2O3。當熔池溫度下降到一定程度后，Al2O3轉變為固態并產生體積膨脹，使縫隙變大。隨著時間的延長，就會導致熔池內襯耐火材料失效[1]。

2.2.3 內襯所受靜壓力的影響

混合爐熔池都具有一定的長、寬、高，對鋁液滲入耐火材料影響最大的是熔池的高度。眾所周知，熔池高度越大，承載的鋁液越多，熔池內襯承受的鋁液靜壓力就越大。而在較大靜壓力的作用下，由于高溫鋁液具有極好的流動性，并且對耐火材料有著極好的浸潤性，高溫鋁液通過耐火材料骨料間的微孔、烘爐過程內襯材料中自由水和結晶水汽化逸出所產生的孔洞逐步滲入耐火材料內襯。混合爐的運行是間歇式的，高溫時滲入耐火材料的金屬鋁以液態形式存在于耐火材料微孔和水蒸氣排出形成的通道中。然而，當混合爐內鋁液排空后，熔池內環境溫度下降，耐火材料內襯的溫度也隨之下降。當溫度低于660 ℃(金屬鋁的熔點)時，滲入內襯中的鋁液凝結為固態。眾所周知，金屬由液態轉變為固態時會發生體積收縮。這時，滲入微孔中的鋁與耐火材料之間出現縫隙，而內襯表面失去了鋁液的保護，運行時鋁液對耐火材料與空氣的隔離作用消失，使得高溫固態金屬鋁直接與氧氣接觸，發生氧化反應，形成固態氧化鋁?；旌蠣t周而復始的填充與排空，使得這一過程反復進行，最終造成鋁液滲透穿過各個功能層直抵爐底鋼結構，使混合爐耐火材料內襯失效。

2.2.4 爐襯耐火材料中雜質組分的影響

在鋁用混合爐耐火材料內襯中，除了主要組分Al2O3含量大于80%外，還有一些雜質組分，含量最高的雜質組分是SiO2，此外還有FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O及MgO等，它們會與高溫電解鋁液發生式(1)～(4)的反應，造成爐襯耐火材料的浸蝕。雖然這些反應都比較微弱，但是對內襯的失效卻有一定的影響。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2.5 堿金屬的影響

對混合爐熔池內襯耐火材料失效影響較大的是堿金屬元素Na和K。電解鋁液中的堿金屬Na元素含量高達0.008%～0.015%[2]，且在重熔鋁錠生產過程中，要采用清渣劑和打渣劑對混合爐內的鋁液進行必要的凈化處理(主要是除氣和除渣)，而這些熔劑的主要成分是NaCl、KCl以及Na3AlF6(冰晶石)[3]，它們均含有大量的堿金屬元素Na和K，尤其是Na元素。Na元素的沸點相當低，僅為97.8 ℃，在混合爐的工作溫度下，部分Na元素會發生形態轉變，升華為Na蒸汽。這些蒸汽便會沿著耐火材料表面的微孔通道進入耐火材料內部，并與耐火材料組元發生反應，形成霞石和鉀霞石，造成耐火材料浸蝕和失效[4]。

(5)

(6)

2.2.6 機械攪拌的影響

用戶對于用電解鋁液生產的重熔鋁錠的品位要求各異，通常要求Fe含量比較高，有時甚至要求Fe含量高達0.20%。正常運行的電解槽產出的鋁液很難達到這個要求，必須通過向鋁液中添加鐵劑、適當提高混合爐內鋁熔體溫度以及加強攪拌來實現。然而，添加鐵劑后，一方面，由于鐵劑的比重遠遠大于鋁液，如果攪拌程度不夠，鐵劑會發生沉積，并富集在爐底耐火內襯材料表層，其與鋁液和砌體材料的反應加劇砌體膨脹；另一方面，如果溫度過低，則鐵劑的熔化性能差，所生產的重熔鋁錠化學成分很難滿足用戶要求。此外，強烈攪拌雖然能獲得較好的鐵劑溶解性能，提高鐵元素的實收率，但是，在采用機械攪拌的情況下，如果攪拌機械操作不當，攪拌器具會與爐底和爐墻耐火材料內襯產生碰撞，造成耐火材料內襯損傷，從而加速鋁液對熔池內襯的浸蝕。

2.2.7 固體爐料添加操作的影響

在重熔鋁錠生產過程中，在化學成分(主要是Fe、Si含量)確定的情況下，為了使電解鋁液盡快降溫，通常要往熔池中加入一些固體爐料。在固體爐料添加過程中，如果操作不當，固體爐料就會與熔池內襯耐火材料發生碰撞，長期的不當操作必然會對熔池內襯造成損傷，導致內襯材料過早失效。

2.2.8 清爐操作的影響

混合爐使用一段時間后，金屬鋁的高溫氧化、電解鋁液中的非金屬氧化物以及打渣劑和清渣劑等溶劑的使用，會在熔池爐襯表面形成一層粘附物，即Al2O3含量大于95%的“蘑菇狀生長物”剛玉瘤[5]。常溫下，這些粘附物具有比較高的強度和硬度，它們與爐襯緊密地結合在一起。如果在常溫下采用機械方法進行清理，在清除掉剛玉瘤的同時，也必然會造成耐火材料損傷?；旌蠣t剛排空時，剛玉瘤相對比較軟，具有一定的彈性，此時清爐可以減小對爐襯耐火材料的傷害，但由于此時熔池表面的溫度非常高，熱輻射強度比較大，如果采用人工清爐，工人無法近距離操作，清爐效果非常有限。而如果采用清爐機機械(如攪拌車、扒渣車)進行清爐，也難免會因為熱輻射的影響和車輛操作問題對爐襯材料造成機械傷害。

3 延長混合爐耐火材料內襯壽命的措施

生產實踐表明，采取以下措施可以減緩鋁用混合爐內襯失效，延長內襯的使用壽命。

3.1 采用合理的混合爐設計尺寸

在滿足混合爐容量要求的前提下，盡量采用較小的熔池高度，以減小高溫電解鋁液所產生的靜壓力對熔池四周爐墻和爐底耐火材料失效的影響。

3.2 選擇雜質含量低的耐火材料

選擇雜質含量低的耐火材料，以提高耐火材料的抗鋁液侵蝕性能。筑爐前，委托有資質的機構對所采購的耐火材料進行分析，確定其Al2O3含量，以及SiO2、FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O、MgO等雜質的含量，盡量選擇Al2O3含量高，SiO2、FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O及MgO等雜質含量低的耐火材料，因為這樣不僅可以保證耐火材料的耐火度，而且可以減少耐火材料與鋁液之間的反應，降低鋁液對耐火材料的浸蝕。

3.3 提高筑爐質量

在筑爐過程中，應派專人對筑爐質量進行監理，嚴格控制磚縫尺寸和灰漿飽和度，防止鋁液進入磚縫形成固態Al2O3，并因其體積膨脹而造成爐襯滲鋁從而導致爐襯失效。

3.4 制定合理的烘爐曲線

混合爐砌筑完成后，烘爐工序質量對耐火材料內襯壽命有很大影響。應采用分段加熱、分段保溫的烘爐曲線，嚴格控制升溫速率，使爐襯耐火材料均勻升溫，并使內襯中的自由水和結合水充分逸出，將烘爐過程中由于溫度梯度產生的熱應力減小到最小程度，確保烘爐過程中爐襯不發生開裂[6]。

3.5 采用新型預制塊爐襯砌筑工藝

近些年，從國外引進了新的鋁用混合爐砌筑工藝。其原理是在混合爐砌筑前，根據混合爐爐殼尺寸、熔池尺寸及耐火材料在混合爐工作溫度下的收縮率，將爐襯設計成具有一定形狀和尺寸的耐火材料澆注塊，并通過模具設計、加工和預制塊澆注和焙燒，最終完成鋁用混合爐爐襯砌筑。由于爐襯砌體提前在850 ℃以上的溫度下預焙燒了約10 d，這個溫度比混合爐正常工作溫度高出了大約100 ℃，基本消除了澆注料在工作溫度下的熱態線收縮，將爐襯在熱態下的收縮量降至最小，從而避免了烘爐過程中因耐火材料線收縮而導致的爐襯開裂[7-8]。

3.6 控制精煉劑和清渣劑的使用

在重熔鋁錠生產過程中，為了清除鋁熔體中的夾雜物和溶解氫，要使用一定量的精煉劑和清渣劑。如果熔劑使用過量或撒播不均勻，或者撒播在爐墻附近，必然會對爐墻耐火材料內襯造成嚴重傷害，因為溶劑中含有一定量的助溶劑、發熱劑、引爆劑和防潮劑，這些成分與鋁液接觸會發生燒渣反應，燒渣溫度高達2 204 ℃[9]。如此高的溫度必然會對耐火材料內襯造成嚴重損害，大大降低耐火內襯材料的使用壽命，因為混合爐爐襯所用耐火材料的耐火度低于1 800 ℃。因此，在實際生產中，在滿足除氣除渣要求的前提下，一定要將熔體添加量控制到最少；添加熔劑時，一定要撒播均勻，并在撒播后盡快進行攪拌處理，避免熔劑與爐墻長時間接觸。

此外，常用的精煉劑和清渣劑中含有大量的Na和K元素，因此減少煉劑和清渣劑的用量也可以降低Na、K元素對耐火材料內襯的侵蝕，延緩耐火材料內襯失效進程。

3.7 優化固體爐料添加方式

在重熔鋁錠生產過程中，不可避免地要向鋁液中添加一定量的固體廢料，如果添加方式不當，就會發生固體冷料與混合爐耐火材料內襯碰撞，對內襯材料造成機械損傷，從而影響其使用壽命。因此，在添加固體冷料時，應當用鋼絲繩捆綁固體料，再在起重機的輔助下緩緩將其加入熔池中，最大程度地避免對爐襯的機械傷害。

3.8 提高攪拌扒渣操作水平

在重熔鋁錠生產過程中，為保證熔池內鋁液溫度和化學成分均勻性，在沒有安裝電磁攪拌裝置的情況下，常使用攪拌(扒渣)車對熔池內的鋁液進行攪拌和扒去熔體表面浮渣。如果車輛操作人員操作水平欠佳，就會使扒渣板與熔池底部及四周爐墻耐火內襯發生碰撞，造成熔池內襯耐火材料機械損傷，影響內襯的使用壽命。因此，提高車輛操作人員技術水平對于減少內襯機械損傷和延長內襯壽命產生直接影響。目前，國內許多大型重熔鋁錠生產用混合爐和鋁合金熔煉爐采用電磁攪拌器攪拌熔體。這種攪拌方式屬于非接觸式攪拌(即攪拌器不與熔體接觸)，不僅可以提高鋁熔體溫度和化學成分的均勻性，減小鋁熔體污染，節約能源，減少鋁液燒損，提高生產效率，大大降低操作工人的勞動強度和改善操作環境[10-11]，而且可以將攪拌作業對爐襯耐火材料的傷害降低到最小程度。

3.9 建立合理的清爐制度

混合爐使用幾個爐次后，爐墻渣線附近會粘附大量爐渣，如果不及時清理，就會形成強度較高的剛玉瘤。它們與爐墻內襯緊密結合在一起，不僅會造成熔池容積減小，影響混合爐利用率，而且會造成后續清爐困難，甚至會因為清爐而對爐襯造成嚴重的損傷。生產實踐表明，在熔池內鋁液排空后，立即對混合爐進行清爐作業，可以將清爐對爐襯的機械傷害降至最小，因為此時爐襯溫度較高，粘附在爐襯上的熔渣具有一定的彈性，采用人工方式進行清理，可以通過力度的掌握完成清爐。

3.10 減小高溫電解鋁液對爐襯的熱沖擊

長時間未運行的混合爐在重新投入運行前必須進行烘爐處理，將爐襯耐火材料的溫度提升至750 ℃以上才可將高溫電解鋁液注入熔池內，以減小高溫電解鋁液對耐火材料內襯產生的熱沖擊，減小爐襯內的熱應力，進而有效將低對爐襯的傷害；同樣，當混合爐停運時，切記不能采用強制冷卻方式使爐襯耐火材料由高溫(700 ℃以上)驟降至常溫(20 ℃左右)，避免由于冷卻速度過快在爐襯耐火材料中產生過大的收縮應力而造成爐襯耐火材料開裂。

4 結束語

本文從熔池內襯表面狀況、熱沖擊、電解鋁液的靜壓力、耐火材料雜質組分、堿金屬、機械攪拌、固體爐料添加操作和清爐操作等8個方面分析了40 t鋁用混合爐熔池內襯失效的原因，并從耐火材料質量、筑爐質量、烘爐曲線、新型筑爐工藝、精煉劑和清渣劑使用、固體料添加、攪拌扒渣操作、清爐制度以及減小爐襯熱沖擊等方面探討了延長混合爐內襯使用壽命的措施，希望對同行業有所借鑒。