浅谈影响阳极焙烧炉使用寿命的因素及其应对措施

2019-03-03刘民章

有色冶金节能 2019年1期

刘民章

(青海桥头铝电股份有限公司，青海西宁 810100)

0 前言

预焙阳极是铝电解槽的“心脏”，预焙阳极炭块质量的好坏直接影响铝电解槽的运行工况和铝电解成本。而预焙阳极质量的优劣，不但与阳极生产所使用的原材料、混捏成型工艺、焙烧工艺以及阳极组装工艺有关，还与阳极焙烧炉的运行工况有很大的关系。焙烧炉的运行工况良好，阳极炭块的各种理化指标优良(如强度高、电阻率低等)，可以促进和保持比较高的电流效率，从而降低吨铝成本。因此，保持良好的焙烧炉运行工况十分重要。根据国内预焙阳极焙烧炉的运行数据统计结果，通常，阳极焙烧炉的使用寿命为8～10年[1]。但是，在实际运行中，要达到8年的使用寿命很困难，因为影响焙烧炉使用寿命的因素非常多。10多年来，国内许多研究人员和预焙阳极生产工艺技术人员对如何延长焙烧炉的使用寿命进行了大量的研究和探讨[2-6]，并取得了许多成果。然而，以前的研究都是偏重于某一点或者某个方面，不能完全反映影响焙烧炉使用寿命的因素，所以所制定的措施也不是十分充分和完善。因此，分析影响阳极焙烧炉使用寿命的因素，制定完善的应对措施并加以实施，对于延长阳极焙烧炉使用寿命，进而降低阳极生产成本和吨铝成本，很有必要。

1 影响阳极焙烧炉使用寿命的因素分析

总体来说，影响阳极焙烧炉使用寿命的主要因素包括筑炉材料质量、筑炉质量、烘炉质量、操作质量、阳极炭块中碱金属含量和日常维护管理等。

1.1 筑炉材料质量的影响

筑炉材料质量对阳极焙烧炉使用寿命有重要影响。阳极焙烧炉用筑炉材料主要是Al2O3-SiO2系耐火材料及其制品，如火道墙砖、火道墙拉砖和横墙砖等。耐火砖制品的质量要求项目包括Al2O3含量、Fe2O3含量、K2O+Na2O含量、耐火温度、0.2 MPa荷重软化开始温度、显气孔率、体积密度、常温耐压强度、高温抗折强度、高温蠕变率、加热永久线变化率和热震稳定性。

然而，在实际应用中，炭素厂所购买的阳极焙烧炉耐火制品往往无法完全满足所有的性能指标要求，从而给焙烧炉使用寿命埋下了隐患。此外，由于耐火材料市场的激烈竞争，一些小型耐火材料生产厂以低于市场价格的竞争优势，利用回收的废旧阳极焙烧炉耐火砖，经过重新加工生产耐火制品，也对一些炭素制品生产厂造成了很大影响。因为在长达5～8年的阳极焙烧生产过程中，大量来自阳极炭块的碱金属K和Na被Al2O3-SiO2耐火材料所吸收，并与耐火材料的组织发生反应，形成新的膨胀相钾霞石(含K)和霞石(含Na)，而这两种新的膨胀相均会造成耐火材料结构的损害，从而加速阳极焙烧炉耐火砖的失效[7-8]。由于失效后的铝硅酸盐耐火材料中含有数量较多(远远超过行业标准要求)的碱金属K和Na，从而使得利用回收废旧阳极焙烧炉耐火砖所生产的“新”火道墙砖的应用，从一开始就对阳极焙烧炉使用寿命带来了极大的隐患。

目前，在阳极焙烧炉砌筑时，有的炭素厂采用包工包料的交钥匙工程，有的则采用由炭素厂提供筑炉材料，由施工方负责筑炉操作。后者为保证阳极焙烧炉质量，可以采购高品质的筑炉材料，然而，如果采用前者，施工方为降低筑炉成本获取更大的利润空间，很可能采购不符合筑炉要求的筑炉材料，再加之如果炭素厂方对筑炉材料质量监督不力，就会将不合格的耐火砖用于阳极焙烧炉的火道墙中。不合格耐火砖的使用必然导致阳极焙烧炉使用寿命缩短。如果耐火材料的氧化铝含量达不到标准、显气孔率高、0.2 MPa荷重软化开始温度低、常温耐压强度低、高温抗折强度低以及耐热震性能差等，很容易导致火道墙变形与塌陷[9]。

1.2 筑炉质量的影响

在耐火材料质量得到保证的前提下，筑炉工序是阳极焙烧炉使用寿命的重要影响因素之一。从理论上讲，砌筑时应严格按照事先制定的砌筑方案进行砌筑施工，然而，在实际操作中，很可能出现砖缝的砂浆饱和度不够、应该使用石棉毡进行密封的地方没有用石棉毡等问题，从而造成火道墙砖之间缝隙过大、密封程度不够，导致焙烧炉正常使用过程中漏风严重以及填充料渗漏严重，这些砌筑缺陷均会对阳极焙烧炉的使用寿命产生不利的影响。

1.3 烘炉质量的影响

焙烧炉烘炉的目的是排出炉体内的水分，使整个炉室形成一个整体达到使用效果，因而焙烧炉烘炉质量的好坏，直接影响焙烧炉的使用寿命[10]。从理论上来讲，要保证焙烧炉的烘炉质量，只需要考虑耐火材料的热膨胀系数即可，即在新建或大修的焙烧炉炉室内全部填装废的熟块，然后按一定的升温速率进行升温，就能保证焙烧炉的烘炉质量，也就是说，在升温过程中，除了燃料燃烧外，没有挥发分的逸出与燃烧发生。然而，企业必定是要追求最大的经济效益，在烘炉的同时进行生阳极的焙烧，可使经济效益最大化，但如此一来，就使得烘炉过程复杂化。从长远角度出发，首先必须考虑的是烘炉质量；另一方面，也必须兼顾烘炉过程所焙烧阳极的质量能够满足铝电解过程的要求。

在焙烧炉烘炉过程中，火道温度会达到或超过1 200 ℃，因此有人认为如此处理就可以稳定耐火材料的使用性能，但其实这却严重破坏了耐火材料的内部结构，导致荷重软化性能遭到破坏，严重时甚至导致基础薄弱的炉墙发生坍塌[2]。升温速率对焙烧炉的烘炉效果影响极大，特别是在烘炉初始阶段，由于砌体处于常温，如果升温速率太快，将会在耐火材料体内形成较大的热应力和应力集中，造成砌体开裂，从而导致焙烧炉使用寿命降低。此外，在焙烧炉烘炉结束后，如果在炉温比较高的情况下出炉，同样冷却速率过快也会造成炉体产生较大的应力集中，导致炉体开裂，二者均会对焙烧炉使用寿命造成严重影响。

1.4 操作质量的影响

在实际生产操作中，经常会出现以下几种影响焙烧炉使用寿命的不规范操作：

1)火道墙修理与装炉操作同步进行，导致施工材料混入阳极填充料中。

2)装炉的阳极炭块与两侧火道墙之间的距离不均匀，一些炭块非常靠近火道墙，而另一些炭块则与火道墙的距离较大，从而造成填充料分布不均匀。

3)在装、卸炉过程中，由于天车工操作和炉面指挥人员失误，造成炭块与火道墙之间的机械碰撞，导致火道墙变形，尤其是在高温出炉时发生碰撞危害更大。

4)布料管和吸料管操作不当损伤炉面砌块和料箱。

5)长期采用同一燃烧方向运行焙烧炉，造成焙烧炉局部由于应力集中而产生火道墙严重变形，导致装卸炉困难而损伤火道墙。

上述不规范操作均会影响焙烧炉使用寿命，因此，焙烧炉的操作运行质量对焙烧炉使用寿命的影响不容忽视。

1.5 阳极炭块中碱金属含量的影响

刘民章[11]系统分析了阳极焙烧炉火道墙中碱金属的来源、危害及其控制途径。文献指出，由于预焙阳极生产中使用了大约15%～30%的残极，且在电解槽中阳极一直有大约150 mm浸没在电解质中，故电解质中的一部分K、Na会通过残极循环利用带入生阳极炭块中(粗残中的Na含量约为9 337×10-6；细残中的Na含量约为3 771×10-6)；另外，预焙阳极生产的主要原料煅后焦中的Na含量也高达30×10-6，以及阳极生产所使用的粘结剂煤焦油沥青中也含有0.003%～0.01%的Na。这几个方面构成了预焙阳极生块中碱金属的主要来源，在焙烧过程中渗入焙烧炉火道墙砖中，并通过与火道墙砖耐火材料组元的反应，形成对耐火材料具有严重危害的膨胀相钾霞石(含K)和霞石(含Na)，从而使耐火材料失效。

1.6 日常维护管理的影响

阳极焙烧炉的日常维护管理对于延长其使用寿命非常重要。在焙烧炉的运行过程中，由于种种原因，不可避免地会出现火道墙的局部破损、变形甚至炉面砌块塌陷等，如果对于刚刚出现的较小缺陷不记录和及时处理，那么，时间稍长，小缺陷将会发展成大缺陷，不但会增加焙烧炉维护保养的难度和工作量，还将对焙烧炉的使用寿命造成更大的影响。对于管理严谨细致的焙烧车间来说，焙烧炉运行工况的建档、设备故障的及时检查与登记、故障出现时间、类型与产生原因、处理方法以及处理效果等，应该在设备档案中一目了然，以便再次出现类似故障及其处理时有可以查阅和借鉴的依据。

2 延长阳极焙烧炉使用寿命的措施

2.1 控制耐火材料质量

在阳极焙烧炉新建或大修时，要严格控制炉用耐火材料的质量。一是从信誉度良好的耐火材料生产厂家采购耐火材料；二是严格执行有色行业阳极焙烧炉用耐火材料标准；三是在耐火材料进厂后，要委托有检测资质的单位对行业标准所要求的项目进行逐一严格检测，尤其是要对耐火材料的氧化铝含量、显气孔率、0.2 MPa荷重软化开始温度、常温耐压强度、高温抗折强度和耐热震性能等进行检测。此外，为了防止焙烧炉废弃火道墙砖的“回用”，耐火砖中碱金属Na、K含量应作为一个重点的检测分析与控制项目。对于经检测不合格的耐火材料，应坚决退货，不能将带有隐患的耐火材料用于焙烧炉砌体中。

2.2 控制筑炉质量

无论是炭素厂具备焙烧炉砌筑能力，还是采用交钥匙工程，在焙烧炉砌筑过程中，一定要按照制定的焙烧炉砌筑施工方案进行砌筑作业。在焙烧炉砌筑时，炭素厂应指派经验丰富、有良好现场协调能力的人员对施工质量进行监控，如果条件允许的话，也可从专业机构聘请专业的工程监理人员对施工质量进行监督检查，并认真做好监理记录。尤其是对火道墙，应严格控制砖缝大小和灰浆饱和度，不得出现空缝，不得向砖缝中补罐灰浆。另外，在砌筑过程中，要严格控制火道墙的密封措施。

2.3 控制烘炉质量

从以下几个方面控制焙烧炉的烘炉质量：

1)炉体砌筑完成后，因其他设备未安装完毕，生产条件受到限制，尤其在冬季对新砌筑的焙烧炉应进行保温，保证各炉室、料箱温度控制在5～10 ℃，防止炉室冻裂。

2)选用合理的烘炉曲线，尤其在300、800和1 150 ℃这几个影响耐火材料性能的关键阶段，一定要控制得当，确保耐火材料性能稳定，其内部结构不会遭到破坏。

3)严格按照预定的烘炉升温曲线进行升温，当出现实际温度与升温曲线不符时，应在尽可能短的时间内调整温度偏差使其符合曲线要求。

4)烘炉程序完成后，严格按照冷却曲线进行炉体降温，当炉内炭块温度冷却至低于200 ℃时，方可进行出炉作业。

2.4 控制焙烧炉运行操作质量

应从以下几个方面强化焙烧炉运行操作质量：

1)提高天车操作人员的操作技能，在装炉和出炉过程中熟练掌握炭块装/出炉的位置准确性，避免在装/出炉过程中阳极炭块与火道墙发生碰撞而对火道墙造成的机械损伤；同时，炉面指挥人员也应加强与天车操作人员的沟通协调，避免因指挥失误而造成阳极炭块与火道墙碰撞的事件发生。

2)定期调整燃烧系统的火焰方向，实行燃烧火焰逆运行，避免长期同一方向燃烧火焰对火道墙造成的永久性变形。在阳极焙烧生产中，由于长期采用固定的燃烧方式和火焰移动方式，火道温度特别是局部过高的温度也呈固定分布。长期的高温灼烧及循环生产，往往会造成端墙规则性变形弯曲、火道墙规则性凹陷、凸包及老化变形，导致大量火焰负压挤死、料箱变窄和填充料渗漏等，严重影响焙烧炉使用寿命[12]。在对焙烧设备进行局部改造的基础上，定期将焙烧炉的火焰方向调整为与原来运行方向相反的方向上，可以在很大程度上减缓上述问题的出现，从而延长焙烧炉的使用寿命，而且对焙烧阳极炭块的质量没有任何不良影响[12-13]。

2.5 控制预焙阳极原材料中碱金属含量

预焙阳极中的碱金属K、Na不仅对火道墙砖有很大的危害，而且对阳极炭块的CO2反应性和空气反应性有极大的影响，Na的存在使得电解过程中的阳极消耗增加。因此，必须控制通过各种途径进入阳极焙烧炉中的碱金属含量。

1)控制耐火材料中的碱金属含量。阳极焙烧炉砌筑时，要严格按照行业规定的工业炉窑耐火材料标准选择耐火砖。对于所采购的耐火砖，必须进行杂质含量分析检测，将包括碱金属在内的杂质含量控制在最低程度。

2)控制回收残极中的碱金属含量。由于阳极焙烧炉中的钠主要来源于回收利用的残极，而在火道墙砖的腐蚀中，来自残极的高钠含量起着至关重要的作用。因此，残极清理是控制火道墙耐火砖中钠含量的重要途径。采用人工清理往往使得残极中仍然保持较高含量的钠；而采用残极自动清理机则可以将残极中的钠含量降低至(60～83)×10-6，从而大大减少了通过生阳极进入焙烧炉的钠含量[14]。

3)作为预焙阳极的粘结剂，“无钠低灰”煤沥青中的钠含量(3×10-6～10×10-6)远远低于常用煤沥青中的钠含量(0.000 3%～0.1%)[15]，因此，用“无钠低灰”煤沥青代替常用煤沥青作为预焙阳极粘结剂，也可以在一定程度上减少通过生阳极进入火道墙砖中的钠含量。