1 熔煉爐/保溫爐在鋁合金熔鑄生產(chǎn)中的作用
熔煉爐和保溫爐是鋁合金熔鑄生產(chǎn)中最主要的生產(chǎn)設(shè)備。首先，要將由電解槽中吸出的高溫電解鋁液通過真空抬包運(yùn)送到熔鑄車間，然后轉(zhuǎn)注到熔煉爐中，以一定的固液比配料熔煉所需要的鋁合金。在熔煉過程中，通過電能或燃?xì)饣蛉加彤a(chǎn)生的熱量加熱爐料。熔化完成后，根據(jù)熔煉爐的容積大小，采用人工或機(jī)械或電磁攪拌裝置對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行攪拌，使熔體溫度和化學(xué)成分均勻化。然后通常用含氯精煉劑對(duì)鋁熔體進(jìn)行預(yù)精煉，取樣分析化學(xué)成分，合格后轉(zhuǎn)入保溫爐中進(jìn)行爐內(nèi)精煉，除渣、除氣和除堿金屬，并再次取樣分析，確認(rèn)化學(xué)成分符合配要求后，進(jìn)行DC半連續(xù)扁錠鑄造或鋁合金鑄軋生產(chǎn)。鋁合金熔鑄生產(chǎn)的基本工藝流程如圖1所示。
圖1 鋁合金熔鑄生產(chǎn)的基本工藝流程
Figure 1 The basic technological flow of aluminium alloy melting and casting
以容量為25t的熔煉/保溫爐組為例，縱觀整個(gè)鋁合金熔鑄生產(chǎn)過程，在鋁合金扁錠DC鑄造中，鋁合金熔體在熔煉爐/保溫爐中的總停留時(shí)間要超過12小時(shí);在鋁合金鑄軋生產(chǎn)中，鋁合金熔體在熔煉爐/保溫爐中的總停留時(shí)間則要超過25小時(shí)。由此可以看出，熔煉爐和保溫爐對(duì)于鋁合金熔鑄生產(chǎn)的重要性。
2 影響鋁合金熔煉爐/保溫爐耐火材料壽命的因素分析
影響鋁合金熔煉爐/保溫爐內(nèi)襯壽命的因素比較多，主要有耐火材料質(zhì)量、筑爐質(zhì)量、裝爐和清爐操作、鋁液對(duì)耐火材料的侵蝕、鋁液中堿金屬和堿土金屬Na、K、Mg等對(duì)耐火材料的侵蝕以及耐火材料磨損等。
2.1 耐火材料質(zhì)量
目前，國內(nèi)大多數(shù)熔鋁爐/保溫爐內(nèi)襯以高鋁磚為主要熔池材料[1]。在熔鋁爐筑爐時(shí)，有的熔鑄廠采用包工包料的交鑰匙工程，有的則采用由熔鑄廠提供筑爐材料，由施工方負(fù)責(zé)筑爐操作。前者為保證熔煉爐/保溫爐使用壽命，可以采購高品質(zhì)的筑爐材料，然而，如果采用后一種方式，施工方為了降低逐鹿成本、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，再加之如果熔鑄廠方對(duì)筑爐材料質(zhì)量監(jiān)督不力，就會(huì)將不合格的耐火材料用于熔煉爐/保溫爐。不合格的耐火材料必然導(dǎo)致熔/保爐使用壽命的縮短。
2.2 筑爐質(zhì)量
在耐火材料質(zhì)量得到保證的前提下，筑爐質(zhì)量對(duì)于熔/保爐內(nèi)襯壽命有著重要的影響。如若澆注料加水量過大、砌筑磚縫過大或灰漿飽和度等控制不當(dāng)，在烘爐過程中就會(huì)導(dǎo)致爐襯開裂，或在鋁合金熔煉過程中導(dǎo)致爐襯漏鋁，從而縮短爐襯使用壽命。
2.3裝爐和清爐操作
在鋁合金熔煉時(shí)，要將部分固體料(重熔鋁錠、工藝廢料和中間合金錠)加入到熔煉爐中。然而，無論是用加料車投料還是人工投料，固體爐料都不可避免地要與爐襯耐火材料發(fā)生碰撞，長期的碰撞必然會(huì)造成爐襯材料的損傷[2]，從而影響爐襯耐火材料的使用壽命;
當(dāng)熔煉爐運(yùn)行一段時(shí)間后，爐底和爐墻上必定要粘附許多爐渣和其他雜質(zhì)，使熔池有效容量減小。為了保證鋁合金熔煉效率，必須對(duì)熔池進(jìn)行清理。目前對(duì)熔煉爐/保溫爐的清理主要依靠人工清理。人工清理時(shí)，停爐后必須降溫至環(huán)境溫度，然而，清理溫度過低時(shí)，以三氧化二鋁為主要成分的爐渣與耐火材料粘附力很大，要么清理不下來，要么在除掉爐渣的同時(shí)，連同局部爐襯材料一起被清理下來，從而導(dǎo)致由于清理工作對(duì)爐襯耐火材料造成損壞，進(jìn)而影響內(nèi)襯材料的使用壽命。
2.4 鋁液對(duì)耐火材料內(nèi)襯的侵蝕
雖然反射爐使用溫度為800～1000℃，遠(yuǎn)比鋼鐵行業(yè)使用溫度低得多，但由于鋁是很活潑的金屬，在750℃的熔煉溫度下，鋁的粘度為0.104Pa.S，與20℃時(shí)水的粘度(0.10Pa.s)相當(dāng)接近，因此金屬鋁及鋁合金的流動(dòng)性極好，容易向爐襯內(nèi)部滲透[3]。當(dāng)鋁液滲入內(nèi)或材料后，即與內(nèi)或材料中的SiO2、Fe2O3等氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，造成耐火材料的損毀，同時(shí)反應(yīng)生成的Si和Fe也對(duì)鋁熔體造成了污染[4]：
Al + 3/2SiO2 →Al2O3 + Si
Al + Fe2O3 → Al2O3 + Fe
2.5 鋁合金中合金元素對(duì)耐火材料的侵蝕
熔煉/保溫爐砌筑完成后，由于烘爐過程中耐火材料中吸附水、結(jié)晶水和化學(xué)水的逸出，從而使得在耐火材料表面形成許多微觀通道[5]。在眾多鋁合金中，Mg、Mn、Zn等元素也很活潑，在很容易與耐火材料中的一些成分反應(yīng)，尤其是Mg，有很高的蒸汽壓，其蒸汽壓比鋁液更容易沿著微觀通道滲入耐火材料，還原耐火材料中的Al2O3、SiO2和Fe2O3：
3Mg + Al2O3 → 3MgO + 2Al
2Mg(氣) + SiO2 → 2MgO +Si
Mg(氣)+ Fe2O3 → 3MgO +2Fe
由此可以看出，在熔煉Al-Mg系合金合金時(shí)，對(duì)爐襯的侵蝕也是很嚴(yán)重的。
2.6 堿金屬對(duì)耐火材料的侵蝕
在鋁合金熔煉過程中，主要爐料是電解鋁液和重熔鋁錠。據(jù)報(bào)道[6]，在重熔鋁錠中，Na含量約為30ppm，電解鋁液中的Na含量比重熔鋁錠高一些，通常在40～50ppm。此外，通常使用的精煉劑、覆蓋劑和清渣劑的主要成分為NaCl和KCl，也是Na和K的重要來源。鋁合金熔體中的Na和K對(duì)耐火材料的壽命有著重要的影響。由于Na和K的沸點(diǎn)極低，分別僅為882.9℃和760℃。而鋁合金熔煉和保溫精煉期間，爐膛溫度高達(dá)800～1000℃[3]，最高可達(dá)1200℃[7]，在這個(gè)溫度范圍，溶解于合金熔體中的堿金屬鈉和鉀部分蒸發(fā)，形成鉀、鈉蒸汽。這樣，在以天然氣為燃料的反射熔煉爐內(nèi)，就會(huì)存在許多CO2(氣)、CO(氣)、Na(氣)和K(氣)，這些氣體和蒸汽通過耐火材料開口氣孔向耐火材料內(nèi)部滲透，并與耐火材料組織發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生新的膨脹相如鉀霞石(含鉀)和霞石(含鈉)，兩者均會(huì)對(duì)耐火材料結(jié)構(gòu)造成損害[7]，從而加速熔鋁爐耐火材料內(nèi)襯的失效。
2Na2(氣) + 2/3(Al2O3.SiO2)(氣)+ 8/3SiO2(液)+CO(氣)
→ 2(Na2O.Al2O3.4SiO2)(固)+ C(固)
2K2(氣)+2/3(Al2O3.SiO2)(氣)+ 8/3SiO2(液)+CO(氣)
→ 2(K2O.Al2O3.4SiO2)(固)+ C(固)
此外，Na、K、Si等進(jìn)入鋁液中，會(huì)降低鋁熔體的熔點(diǎn)與粘度，增加其流動(dòng)性，從而增加鋁液對(duì)耐火材料的侵潤性和滲透性，加速耐火材料的失效[14]。
3 延長熔煉爐/保溫爐耐火材料內(nèi)襯使用壽命的幾點(diǎn)措施
3.1 筑爐材料的選擇
正確選擇筑爐用耐火材料，對(duì)于延長熔煉爐/保溫爐內(nèi)襯壽命非常重要。要選擇Al2O3含量高的耐火材料[8,14]和那些在使用過程中不產(chǎn)生游離SO2的耐火材料[9]，并且材料中的雜質(zhì)如Fe2O3、Ti2O3和Na2O、K2O等的含量要盡可能低，盡量減少鋁合金熔煉過程中鋁對(duì)Fe2O3、Ti2O3和SiO2的還原以及膨脹相鉀霞石和霞石的生成;要選用水泥含量低的爐襯耐火材料[10]，減小耐火材料內(nèi)襯在工作過程中的線收縮，改善爐襯材料的抗熱震性能，避免爐襯材料因熱沖擊產(chǎn)生裂紋而漏鋁。
3.2 采用正確的施工工藝
在熔煉爐/保溫爐砌筑過程中，所采用的施工工藝必須的當(dāng)。要嚴(yán)格控制磚縫、灰漿飽和度、澆注料加水量、攪拌時(shí)間等技術(shù)參數(shù)，避免由于筑爐工藝不當(dāng)造成磚縫過大導(dǎo)致爐子運(yùn)行過程中磚縫鋁液滲漏而影響爐襯使用壽命。
3.3 選擇正確的烘爐工藝
烘爐工藝的正確與否，對(duì)于耐火材料的使用壽命至關(guān)重要。在烘爐過程中，要控制好烘爐初期的預(yù)熱時(shí)間和升溫速度，設(shè)置必要的保溫時(shí)間，使熱量有足夠的時(shí)間向爐襯內(nèi)部擴(kuò)散，保持爐襯溫度的均勻性，將爐襯內(nèi)的溫度梯度以及由溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力減小到最低，防止因應(yīng)力集中產(chǎn)生爐襯開裂[15]。
3.3 采用先進(jìn)的筑爐工藝
由于傳統(tǒng)的磚砌筑爐工藝存在磚縫多、整體性差和強(qiáng)度差的問題，在使用過程中，很容易因爐門(爐蓋)頻繁開合產(chǎn)生的急冷急熱以及操作過程中產(chǎn)生的碰撞，致使?fàn)t子一些部位極易損壞，在熔鋁爐關(guān)鍵部位使用高強(qiáng)度低水泥含量的澆注料，采用整體澆注一次成型工藝進(jìn)行爐襯砌筑澆注，使?fàn)t襯關(guān)鍵部位的強(qiáng)度得到提高和改善，可大幅度提高熔煉爐/保溫爐的整體使用壽命[11]。
3.4 仔細(xì)認(rèn)真地進(jìn)行熔煉爐/保溫爐操作，無論是人工加料還是采用加料車加料，都應(yīng)盡量避免裝爐時(shí)固體爐料或加料機(jī)械對(duì)爐底和爐墻部位耐火材料的碰撞和沖擊。
3.4 改變傳統(tǒng)的清爐方法
將目前普遍采用的人工作業(yè)冷清爐改為采用清爐車的熱清爐。因?yàn)樵诶鋺B(tài)，粘附在爐底和爐墻上的各種雜質(zhì)、爐渣和剛玉瘤與耐火材料內(nèi)襯結(jié)合的特別緊密，如果強(qiáng)行進(jìn)行清理，必然會(huì)對(duì)耐火材料內(nèi)襯造成嚴(yán)重?fù)p害。而在熱態(tài)時(shí)，由于爐膛內(nèi)環(huán)境溫度很高，粘附在陸地和爐墻上的雜質(zhì)、爐渣和剛玉瘤具有很大的彈性和塑性，此時(shí)進(jìn)行清理可以利用其熱態(tài)變形性，在很大程度上減小對(duì)內(nèi)襯耐火材料的損傷。
4 關(guān)于熔鋁爐用耐火材料生產(chǎn)的建議
4.1 通過在耐火材料基質(zhì)中加入適當(dāng)?shù)腟iO2和Al2O3微粉，改善爐襯耐火材料的氣孔結(jié)構(gòu)，使其在高溫下易于形成燒結(jié)物，促進(jìn)澆注料的燒結(jié)，改善澆注料的使用性能，即在兼顧燒結(jié)體積密度、耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的前提下，獲得顯氣孔率最低的熔鋁爐用低水泥澆注料，從而大幅度改善對(duì)鋁液的防滲效果[12]。
4.2 在筑爐用澆注料中加入3%的適當(dāng)粒度的硫酸鋇作為反潤濕劑，不但可獲得常溫物理性能較好，而且具有良好抗鋁液滲透性能的熔鋁爐用防滲澆注料[13]。
4.3 在耐火材料工作表面涂上或在耐火材料中加入與鋁液不潤濕的耐火組元，如石墨、炭、碳化物、氮化物、Sialon、9Al2O3.2B2O3、Al2O3.TiO2、BaSO4等不被鋁或鎂還原的物質(zhì)，改善耐火材料對(duì)鋁液的抗?jié)櫇裥裕瑴p少或阻止鋁熔體滲入耐火材料[14]。
總之，生產(chǎn)熔鋁爐用耐火材料時(shí)，具有微細(xì)氣孔和添加抗鋁液潤濕劑的耐火材料能夠有效抑制鋁液滲透和反應(yīng)。因此，控制微細(xì)氣孔和顯氣孔率，并且選用優(yōu)良的抗?jié)櫇駝┦情_發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)熔鋁爐用耐火材料的關(guān)鍵所在[16]。
5 結(jié)語
熔煉爐/保溫爐耐火材料使用壽命，對(duì)于以較低的單位成本生產(chǎn)高品質(zhì)鋁合金熔鑄產(chǎn)品十分重要。影響爐襯耐火材料使用壽命的因素很復(fù)雜，筑爐材料、砌筑工藝、烘爐制度、合金品種、日常操作、清爐方式以及日常維護(hù)等對(duì)耐火材料內(nèi)襯壽命都有重要的影響。因此，延長熔煉爐/保溫爐耐火材料內(nèi)襯壽命是一項(xiàng)綜合工程。只有充分了解和認(rèn)識(shí)每一個(gè)因素對(duì)耐火材料壽命的影響程度，并且確實(shí)抓好熔煉爐/保溫爐生命周期中的每一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，才能以最低的爐子使用成本創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益，最大程度低發(fā)揮出熔煉爐/保溫爐的效能。
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聲明：
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：青海橋頭鋁電股份有限公司技術(shù)中心
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