影响阳极组装用中频炉炉衬使用寿命的因素及改进措施

张玉平

(中国铝业青海分公司， 青海 西宁 810108)

0 前言

在电解铝用阳极组装生产流程中，中频炉被称为系统的“心脏”，负责铁水输出、一个流程完毕磷铁回收再熔化输出[1]。因此，中频炉工作性能的好坏，直接影响阳极组装工序生产效率、能耗以及浇铸质量。中频炉工作性能主要分熔化效率和炉龄，其中熔化效率由自身电气系统所决定，受先天性不可控因素较多；而炉龄长短则与后天人为管理有密切关系，如使用的炉衬材料、筑炉方法、烘炉工艺、日常维护以及被熔化的炉料成份[2]等。较长周期的炉龄，不但可以保证生产铁水的连续供应，有利于生产效率的提升，而且还可以通过计划性安排停炉确保中频炉的安全运行。本文结合工作实践，有针对性地对影响中频炉炉衬使用寿命的因素进行分析，探讨延长炉寿命的措施，以期为同行业提供一些借鉴。

1 中频炉炉衬结构和炉衬寿命对阳极组装生产的影响

1.1 炉衬结构

1台按规范烧结好的中频炉炉衬具有典型的三层结构：烧结层、半烧结层和疏松层。各层初始厚度约各占炉衬厚度的三分之一，界线清晰，如图1、图2所示。

图1 炉衬结构图

图2 炉衬实物图片

1)烧结层。表面光滑呈釉面状，截面内无明显粗大裂纹，是炉壁料在高温铁水作用下，使石英砂从β-石英、α-石英、α-磷石英，随着温度的逐级提升晶型转变为α-方石英烧结而成的工作面坩埚，形成均匀完整烧结网络，具有抗冲击、耐高温、耐侵蚀、热态稳定的特性。

2)半烧结层。是烧结层和松散层之间的过渡带，其作用是缓解烧结层的应力，阻止烧结层内产生的裂纹向外延伸[3]。

3)松散层。是几乎没有烧结的砂料，其作用是缓冲因体积膨胀和收缩造成的危害。烧结层产生裂纹造成钻铁后松散层起阻挡作用，防止漏炉故障的发生[4]，同时还有隔热作用。

1.2 炉衬寿命

某公司阳极组装工序曾因中频炉炉衬寿命短，铁水供应紧张使生产和安全一度陷入被动局面，且异常短的炉龄使作业人员稍有不慎就会造成漏炉事故，存在极大安全风险。某公司2014年7月炉龄统计情况见表1，正常使用炉龄平均在50炉次，约13天左右，最长不超过60炉次，最短仅用30炉次，约7天，远远低于同行业正常炉龄。

表1 2014年7月份平均炉龄统计

1.3 炉衬寿命对阳极组装生产的影响

1.3.1 对烘炉时间的影响

由于炉龄短，新老更替需要频繁刨炉筑炉、启炉烘炉，尤其烘炉占用时段较长(30 h以上)，导致铁水供应不足直接影响阳极浇铸线产量。浇铸产量低，只有通过额外增加班次才能完成生产任务，给正常烘炉工艺带来压力。正常情况烘炉过程安排在浇铸线计划检修停产日，这样烘炉过程时间比较充足，炉衬烧结质量过关。

1.3.2 对筑炉质量的影响

由于频繁筑炉，基本达到平均每天筑1台炉的频率，最多时抽调5人分两组作业，含当天刨旧炉衬、筑新炉衬，筑炉人员劳动强度非常大，疲劳作业致使筑炉质量变差，尤其是打结时间和打结密度很难保证。

1.3.3 对铁水质量的影响

虽然工艺要求铁水出炉温度控制在1 400±50 ℃，浇铸温度控制在1 350±50 ℃。但按此标准执行的铁水由于黏度大、流动性差，浇包内后半包铁水随浇铸作业过程温度降低几乎无法浇铸，无法及时回炉就被就近倒掉做成了启熔块，间接助长了浇铸线铁水缺口。

为了满足浇铸生产需要，在实际操作中只有通过提高铁水出炉温度，来增强铁水流动性。据现场实测，能够满足浇铸流动性需要的铁水，出炉温度至少在1 520 ℃以上，浇铸温度在1 450 ℃以上，出炉时铁水呈发亮发白状。

1.3.4 对浇铸质量的影响

碳碗内浇铸的磷铁不满不实不平整，由于铁水流动性差、固化快，设计的磷铁环注入空间还未填满，铁水即被凝固，导致磷铁浇铸内部、外观都存在缺陷，从而影响浇铸整体质量。

总之，炉龄短、铁水供应不足、产量压力大、铁水流动性差、出炉温度高等因素相互制约，形成了恶性循环，导致生产陷入被动局面。因此要提高中频炉炉衬的使用寿命，降低其对阳极组装生产的影响。

2 影响中频炉炉衬使用寿命的原因

根据生产实际和经验，影响炉衬使用寿命的因素可能有筑炉材料、筑炉方法、烘炉工艺和日常使用维护。对各项因素逐项进行分析比对，找出影响炉衬使用寿命的根本原因。

2.1 筑炉材料

筑炉材料和同行业其它单位一样，使用同厂家同型号的石英砂组合料，且筑炉方法一致，但炉龄却相差比较大，说明筑炉材料、筑炉方法不是导致炉龄短的主要诱因。

2.2 烘炉工艺

对烘炉工艺的执行情况全程跟踪，用无纸记录仪全程记录升温曲线，以便随时调阅每台炉烘炉期间任何时刻的温度状态，并未发现异常，也未见好转迹象，说明烘炉工艺不是导致炉龄短的主要诱因。

2.3 日常使用维护

在中频炉使用方面有明显的异常点，即需要的铁水出炉温度高达1 520 ℃(现场实测)，且此温度值仅仅是炉内铁水上表面所测温度，炉衬烧结层真实温度远不止。据此判断，导致炉龄异常短的原因应是炉衬烧结层长期超高温运行，其影响炉衬寿命的原因分析如下：

2.3.1 炉衬烧结层石英砂晶形转变

石英砂具有较复杂的晶形转变，烧结的目的是使炉衬烧结层石英晶变进行得较为彻底，使烧结层中含有较多的α-方石英成份，α-方石英形成过程[5]如下：

相关实验资料[6]显示，烧结层在1 200～1 400 ℃之间随着温度不断升高,烧结性能逐渐提高,力学性能不断加强,耐压强度大幅度提高；当温度升高到1 500 ℃时,试样出现微裂纹,其力学性能开始下降。而在日常实际生产中，铁水出炉温度达1 520 ℃，即烧结层实际工作温度已经超出了α-方石英实验最高强度的范畴，是在存在微裂纹的状态下工作，微裂纹极易使铁水渗入，从而加速了炉衬的劣化。

同时在炉衬材料厂家提供的烘炉工艺要求中，烧结温度在1 570～1 600 ℃，实际铁水温度1 520 ℃时(烧结层炉壁温度必然高于此测量值)已经接近极值，因而对炉衬损坏极大，炉壁脱落频繁。对于烧结层强度最高点的温度临界值，虽然学术实验资料和石英砂厂商提供的实践要求数据有些许出入，但实际工作温度超过或接近极值，导致炉龄寿命较短。

2.3.2 磷铁成分的影响

追根溯源，炉龄短是因为温度高，温度高是因为铁水流动性差，因此对影响铁水流动性的五大元素(C、Si、Mn、P、S)进行分析，其化验结果见表2。由表2可知，能提高铁水流动性的磷元素含量并不低，而能降低流动性的硫元素含量则超出标准4.5倍。

表2 铁水的五大元素化验结果对比 %

综上所述，真正影响中频炉炉衬寿命的原因是由于日常使用中的炉料- 循环使用的回炉铁硫含量太高。

3 提高中频炉使用寿命的措施

3.1 优化磷铁配方

针对磷铁成分中硫含量高出标准值4.5倍的问题，借鉴同行业做法，整体置换磷铁，选用专业铁合金公司配置标准磷铁予以置换。经过整体更换磷铁后，五大元素完全符合工艺标准要求，见表3。铁水流动性得到很大改善，不但阳极浇铸后磷铁环平整、饱满，外观质量得到根本性转变，更重要的是铁水出炉温度只需1 350 ℃即可满足浇铸需求，炉衬工作温度大幅下降，炉龄得到保障，中频炉炉龄平均为57天。

表3 磷铁更换后五大元素化验结果对比 %

3.2 清理回炉铁

表4 置换新铁、提高清铁质量后的炉衬寿命

4 经济效益

通过优化磷铁配方和提高回炉铁清理质量，不但改善了铁水流动性，使阳极组装块浇铸合格率提升3%以上，铁水损耗减少了10%；而且因降低了铁水出炉温度，使炉衬平均使用寿命由原13天延长到70天，满足了生产铁水充足供应，确保了中频炉安全平稳运行，节约了大量筑炉料及人工。经测算，按年产20万t阳极组计，此改进仅合格率提升、筑炉料节约年产直接经济效益在310万元以上。

5 结束语

中频炉寿命对阳极组装生产的影响很大，在保证中频炉筑炉材料、筑炉方法、烘炉工艺、日常使用及维护满足需求的同时，需要在日常生产中密切关注磷铁成份，尤其是硫含量，不但危害大，而且不会在使用中如其他元素一样因烧损而自然降低，反而随着回炉铁的循环使用越来越高，从而影响磷铁的整体质量。因此，在生产中需要在硫含量较低状态时，提前通过各种脱硫方法加以控制，延缓硫含量的上升速度，以防磷铁成分整体过快劣化。