張恒海,高應(yīng)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(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110001; 3.中鋁公司青海分公司,青海 大通 810100; 4.貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550000)

0 前 言

鋁工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的重要支柱產(chǎn)業(yè).鋁用陽(yáng)極是鋁電解槽的心臟,但鋁用陽(yáng)極亦屬高耗能產(chǎn)業(yè).近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng),能源消耗不斷增加,導(dǎo)致陽(yáng)極生產(chǎn)成本增長(zhǎng)幅度較大,給鋁電解行業(yè)的生存和發(fā)展帶來(lái)了極大的制約和影響.而敞開式陽(yáng)極焙燒爐則是決定鋁用陽(yáng)極產(chǎn)品質(zhì)量和能耗高低的最重要環(huán)節(jié).為實(shí)現(xiàn)降低能耗、延長(zhǎng)爐子使用壽命、提高產(chǎn)能和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的,公司自主研發(fā)出一種“新型HY-MAC快速導(dǎo)熱火道墻磚(以下簡(jiǎn)稱HY-MAC快速導(dǎo)熱磚)”.其特點(diǎn)是:導(dǎo)熱系數(shù)高,約為傳統(tǒng)粘土磚的4倍;耐高溫性能好、耐壓強(qiáng)度大.將HY-MAC快速導(dǎo)熱磚用于砌筑陽(yáng)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(dá)到1 100 ℃,生產(chǎn)出合格的陽(yáng)極產(chǎn)品.

HY-MAC快速導(dǎo)熱磚經(jīng)某公司應(yīng)用了12個(gè)周期后,與傳統(tǒng)火道墻對(duì)比,焙燒節(jié)能效果非常明顯：在同等的火道溫度下,采用HY-MAC快速導(dǎo)熱磚的料箱中,制品溫度要高出70～80 ℃;減少天然氣用量達(dá)25%以上(折合35.53 Nm3);提高產(chǎn)能14.2%;預(yù)計(jì)延長(zhǎng)爐子壽命可達(dá)3年以上;在確保提高陽(yáng)極制品質(zhì)量的同時(shí),大幅度降低了爐子的維護(hù)成本及工人的勞動(dòng)強(qiáng)度.

1 研制的必要性和重要意義

目前,我國(guó)鋁用碳素陽(yáng)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(qiáng)度低,導(dǎo)熱系數(shù)小.受此限制,目前國(guó)內(nèi)的敞開式陽(yáng)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(chǎn)鋁用陽(yáng)極的能量消耗一般在2.4～3.2 GJ/t,約比國(guó)際先進(jìn)水平高出15～30 kg的當(dāng)量重油.同時(shí),現(xiàn)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(guó)外同類爐子相比差距較大.因此,降低陽(yáng)極焙燒爐的能耗及提高爐子的使用壽命,一直是我國(guó)碳素行業(yè)長(zhǎng)期探索和研究的重大課題.

多年來(lái),國(guó)內(nèi)外在碳素焙燒爐節(jié)能降耗方面,主要從爐體結(jié)構(gòu)、焙燒工藝技術(shù)、控制技術(shù)和炭塊原材料及燃料品質(zhì)等方面入手,并未注意到焙燒爐火道墻墻體材料對(duì)爐子能耗和使用壽命的影響.

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,至今國(guó)外也尚未研發(fā)出類似HY-MAC的火道墻體材料.針對(duì)陽(yáng)極焙燒爐存在的缺點(diǎn),把提高火道墻的導(dǎo)熱性能和耐壓強(qiáng)度作為重要突破口,開發(fā)出一種導(dǎo)熱系數(shù)大和耐壓強(qiáng)度高的火道墻磚.

傳統(tǒng)的鋁、硅系火道墻磚和本文研究的HY-MAC快速導(dǎo)熱磚外觀如圖1所示.

HY-MAC快速導(dǎo)熱磚的研制成功,為實(shí)現(xiàn)縮短陽(yáng)極焙燒(時(shí)間)周期，采用低溫、低能耗焙燒法進(jìn)行陽(yáng)極生產(chǎn)，提高陽(yáng)極制品質(zhì)量和延長(zhǎng)爐子使用壽命提供了有利條件,同時(shí)也為下游的鋁電解生產(chǎn)降低成本提供了有力保障,對(duì)提升行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有著重大的意義.

圖1 兩種導(dǎo)熱磚Fig.1 Two kinds of flue wall bricks

2 新型HY-MAC快速導(dǎo)熱火道墻磚與傳統(tǒng)火道墻磚對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)火道墻磚

目前,我國(guó)鋁用碳素企業(yè)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(zhì)對(duì)于陽(yáng)極焙燒爐而言,具有明顯的缺陷,特別是導(dǎo)熱系數(shù)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(qiáng)度約為40～50 MPa.這些較低的性能指標(biāo)成為陽(yáng)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(chǎn)實(shí)踐中暴露的主要問(wèn)題如下:

(1)傳統(tǒng)火道墻磚導(dǎo)熱系數(shù)低,導(dǎo)致爐子熱效率低,造成大量的能源浪費(fèi)；

(2)傳統(tǒng)火道墻磚荷重軟化溫度和耐壓強(qiáng)度低,造成火道嚴(yán)重變形,使用壽命短.

上述52室陽(yáng)極焙燒爐火道墻所采用的耐火材料(粘土磚)性能指標(biāo)和目前國(guó)內(nèi)新設(shè)計(jì)陽(yáng)極焙燒爐火道墻所采用的耐火材料(高鋁磚)理化性能指標(biāo),見表1.

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

2.2 HY-MAC快速導(dǎo)熱磚

HY-MAC快速導(dǎo)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(jié)合劑等多種原料組成.具有比較高的導(dǎo)熱系數(shù),這就促使陽(yáng)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(biāo)見表2.

通過(guò)表1和表2的對(duì)比,HY-MAC快速導(dǎo)熱磚在試驗(yàn)溫度1 000 ℃下,導(dǎo)熱系數(shù)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(shí)還具有比較高的體積密度、耐壓強(qiáng)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(tǒng)火道墻磚強(qiáng)得多.由此可以推斷,快速導(dǎo)熱磚火道具有較高的導(dǎo)熱性和延長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì).

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

3 新型HY-MAC快速導(dǎo)熱火道墻磚的應(yīng)用試驗(yàn)

2011年11月～2012年1月,中鋁青海分公司專門對(duì)該項(xiàng)目試驗(yàn)進(jìn)行了全程跟蹤測(cè)試,分別對(duì)燃料消耗和升溫情況進(jìn)行測(cè)量對(duì)比.通過(guò)三次試驗(yàn)跟蹤測(cè)試,升溫速度基本一致,在同一段升溫時(shí)間內(nèi)(指84 h試驗(yàn)曲線),試驗(yàn)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(shí)制品溫度還提前12 h達(dá)到了工藝設(shè)定的溫度要求.這說(shuō)明在低溫、低能耗條件下就能達(dá)到制品所需要的溫度,既節(jié)能,又省時(shí);既提高了產(chǎn)能,又延長(zhǎng)了爐子使用壽命;減少了CO2排放和維修成本,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,符合焙燒工藝要求,更符合企業(yè)節(jié)能減排的理想要求.

測(cè)試設(shè)備安裝與現(xiàn)場(chǎng)溫度記錄對(duì)比見圖2和圖3.

試驗(yàn)條件下的天然氣消耗量對(duì)比見表3；圖4和圖5為三次試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比圖.

圖2 測(cè)試設(shè)備安裝調(diào)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(yàn)條件下天然氣使用量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 The statistics of the natural gas usage under the test condition

所在位置

圖5 三次試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.5 The data comparison in all three tests

采用HY-MAC快速導(dǎo)熱磚火道墻和采用傳統(tǒng)材質(zhì)火道墻在不同條件下，所生產(chǎn)的陽(yáng)極產(chǎn)品理化指標(biāo)對(duì)比見表4.

表4 陽(yáng)極產(chǎn)品理化指標(biāo)對(duì)比表Tab.4 The comparison of the physical and chemical properties of anode products

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明,新型HY-MAC快速導(dǎo)熱火道墻磚實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目標(biāo).由于導(dǎo)熱系數(shù)高、耐溫和耐壓強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn),從根本上改變了陽(yáng)極焙燒爐熱效率低、能耗高、壽命短、維修頻繁、勞動(dòng)強(qiáng)度大和制品質(zhì)量合格率低的缺陷;成功實(shí)現(xiàn)了用低溫、低能耗焙燒陽(yáng)極法,降低企業(yè)綜合成本30%以上(含電解鋁生產(chǎn)間接節(jié)能效益)的目標(biāo).三年的目標(biāo)可收回全部投資,單獨(dú)改造火道墻,一年左右可收回投資.

2011年我國(guó)碳素產(chǎn)量已達(dá)1 000萬(wàn)t以上.如全部采用新材料磚計(jì)算,一年可實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益約29.5億元,減少CO2排放量2 850萬(wàn)Nm3,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著,具有很高的推廣價(jià)值和前景,是未來(lái)電解鋁可持續(xù)發(fā)展的必選之路.

參考文獻(xiàn):

[1] 張恒海,施國(guó)榮,周友土,等.新型爐面節(jié)能接口測(cè)控組件在炭素焙燒爐上的應(yīng)用[J].輕金屬,2009(5):35-39.

[2] 安德軍.我國(guó)鋁電解工業(yè)的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)[J].有色金屬設(shè)計(jì),2004(4):32-36.

[3] 謝峰.談?wù)勱?yáng)極焙燒爐的設(shè)計(jì)節(jié)能[J].有色金屬,2006(4):21-23.

[4] 常先思,陳開武.鋁用炭素陽(yáng)極焙燒爐節(jié)能技術(shù)探討[J].炭素技術(shù),2007(5)：33-35.

[5] 張恒海,高應(yīng)東,吳衛(wèi)國(guó),等.陽(yáng)極焙燒爐新型多功能火道橫墻的應(yīng)用[C].第三屆中國(guó)有色金屬行業(yè)論文大賽專集(三),2011:199-200.

[6] Foosnaes T.Measurement and control of the calcining level in anode baking furnaces[C].Light Metals:Proceedings of Session,TMS Annual Meeting(Warrendale,Pennsylvania),1995:649-652.