劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100)

0 前言

預焙陽極是鋁電解槽的“心臟”，預焙陽極炭塊質量的好壞直接影響鋁電解槽的運行工況和鋁電解成本。而預焙陽極質量的優(yōu)劣，不但與陽極生產所使用的原材料、混捏成型工藝、焙燒工藝以及陽極組裝工藝有關，還與陽極焙燒爐的運行工況有很大的關系。焙燒爐的運行工況良好，陽極炭塊的各種理化指標優(yōu)良(如強度高、電阻率低等)，可以促進和保持比較高的電流效率，從而降低噸鋁成本。因此，保持良好的焙燒爐運行工況十分重要。根據國內預焙陽極焙燒爐的運行數(shù)據統(tǒng)計結果，通常，陽極焙燒爐的使用壽命為8～10年[1]。但是，在實際運行中，要達到8年的使用壽命很困難，因為影響焙燒爐使用壽命的因素非常多。10多年來，國內許多研究人員和預焙陽極生產工藝技術人員對如何延長焙燒爐的使用壽命進行了大量的研究和探討[2-6]，并取得了許多成果。然而，以前的研究都是偏重于某一點或者某個方面，不能完全反映影響焙燒爐使用壽命的因素，所以所制定的措施也不是十分充分和完善。因此，分析影響陽極焙燒爐使用壽命的因素，制定完善的應對措施并加以實施，對于延長陽極焙燒爐使用壽命，進而降低陽極生產成本和噸鋁成本，很有必要。

1 影響陽極焙燒爐使用壽命的因素分析

總體來說，影響陽極焙燒爐使用壽命的主要因素包括筑爐材料質量、筑爐質量、烘爐質量、操作質量、陽極炭塊中堿金屬含量和日常維護管理等。

1.1 筑爐材料質量的影響

筑爐材料質量對陽極焙燒爐使用壽命有重要影響。陽極焙燒爐用筑爐材料主要是Al2O3-SiO2系耐火材料及其制品，如火道墻磚、火道墻拉磚和橫墻磚等。耐火磚制品的質量要求項目包括Al2O3含量、Fe2O3含量、K2O+Na2O含量、耐火溫度、0.2 MPa荷重軟化開始溫度、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強度、高溫抗折強度、高溫蠕變率、加熱永久線變化率和熱震穩(wěn)定性。

然而，在實際應用中，炭素廠所購買的陽極焙燒爐耐火制品往往無法完全滿足所有的性能指標要求，從而給焙燒爐使用壽命埋下了隱患。此外，由于耐火材料市場的激烈競爭，一些小型耐火材料生產廠以低于市場價格的競爭優(yōu)勢，利用回收的廢舊陽極焙燒爐耐火磚，經過重新加工生產耐火制品，也對一些炭素制品生產廠造成了很大影響。因為在長達5～8年的陽極焙燒生產過程中，大量來自陽極炭塊的堿金屬K和Na被Al2O3-SiO2耐火材料所吸收，并與耐火材料的組織發(fā)生反應，形成新的膨脹相鉀霞石(含K)和霞石(含Na)，而這兩種新的膨脹相均會造成耐火材料結構的損害，從而加速陽極焙燒爐耐火磚的失效[7-8]。由于失效后的鋁硅酸鹽耐火材料中含有數(shù)量較多(遠遠超過行業(yè)標準要求)的堿金屬K和Na，從而使得利用回收廢舊陽極焙燒爐耐火磚所生產的“新”火道墻磚的應用，從一開始就對陽極焙燒爐使用壽命帶來了極大的隱患。

目前，在陽極焙燒爐砌筑時，有的炭素廠采用包工包料的交鑰匙工程，有的則采用由炭素廠提供筑爐材料，由施工方負責筑爐操作。后者為保證陽極焙燒爐質量，可以采購高品質的筑爐材料，然而，如果采用前者，施工方為降低筑爐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，再加之如果炭素廠方對筑爐材料質量監(jiān)督不力，就會將不合格的耐火磚用于陽極焙燒爐的火道墻中。不合格耐火磚的使用必然導致陽極焙燒爐使用壽命縮短。如果耐火材料的氧化鋁含量達不到標準、顯氣孔率高、0.2 MPa荷重軟化開始溫度低、常溫耐壓強度低、高溫抗折強度低以及耐熱震性能差等，很容易導致火道墻變形與塌陷[9]。

1.2 筑爐質量的影響

在耐火材料質量得到保證的前提下，筑爐工序是陽極焙燒爐使用壽命的重要影響因素之一。從理論上講，砌筑時應嚴格按照事先制定的砌筑方案進行砌筑施工，然而，在實際操作中，很可能出現(xiàn)磚縫的砂漿飽和度不夠、應該使用石棉氈進行密封的地方沒有用石棉氈等問題，從而造成火道墻磚之間縫隙過大、密封程度不夠，導致焙燒爐正常使用過程中漏風嚴重以及填充料滲漏嚴重，這些砌筑缺陷均會對陽極焙燒爐的使用壽命產生不利的影響。

1.3 烘爐質量的影響

焙燒爐烘爐的目的是排出爐體內的水分，使整個爐室形成一個整體達到使用效果，因而焙燒爐烘爐質量的好壞，直接影響焙燒爐的使用壽命[10]。從理論上來講，要保證焙燒爐的烘爐質量，只需要考慮耐火材料的熱膨脹系數(shù)即可，即在新建或大修的焙燒爐爐室內全部填裝廢的熟塊，然后按一定的升溫速率進行升溫，就能保證焙燒爐的烘爐質量，也就是說，在升溫過程中，除了燃料燃燒外，沒有揮發(fā)分的逸出與燃燒發(fā)生。然而，企業(yè)必定是要追求最大的經濟效益，在烘爐的同時進行生陽極的焙燒，可使經濟效益最大化，但如此一來，就使得烘爐過程復雜化。從長遠角度出發(fā)，首先必須考慮的是烘爐質量；另一方面，也必須兼顧烘爐過程所焙燒陽極的質量能夠滿足鋁電解過程的要求。

在焙燒爐烘爐過程中，火道溫度會達到或超過1 200 ℃，因此有人認為如此處理就可以穩(wěn)定耐火材料的使用性能，但其實這卻嚴重破壞了耐火材料的內部結構，導致荷重軟化性能遭到破壞，嚴重時甚至導致基礎薄弱的爐墻發(fā)生坍塌[2]。升溫速率對焙燒爐的烘爐效果影響極大，特別是在烘爐初始階段，由于砌體處于常溫，如果升溫速率太快，將會在耐火材料體內形成較大的熱應力和應力集中，造成砌體開裂，從而導致焙燒爐使用壽命降低。此外，在焙燒爐烘爐結束后，如果在爐溫比較高的情況下出爐，同樣冷卻速率過快也會造成爐體產生較大的應力集中，導致爐體開裂，二者均會對焙燒爐使用壽命造成嚴重影響。

1.4 操作質量的影響

在實際生產操作中，經常會出現(xiàn)以下幾種影響焙燒爐使用壽命的不規(guī)范操作：

1)火道墻修理與裝爐操作同步進行，導致施工材料混入陽極填充料中。

2)裝爐的陽極炭塊與兩側火道墻之間的距離不均勻，一些炭塊非?？拷鸬缐Γ硪恍┨繅K則與火道墻的距離較大，從而造成填充料分布不均勻。

3)在裝、卸爐過程中，由于天車工操作和爐面指揮人員失誤，造成炭塊與火道墻之間的機械碰撞，導致火道墻變形，尤其是在高溫出爐時發(fā)生碰撞危害更大。

4)布料管和吸料管操作不當損傷爐面砌塊和料箱。

5)長期采用同一燃燒方向運行焙燒爐，造成焙燒爐局部由于應力集中而產生火道墻嚴重變形，導致裝卸爐困難而損傷火道墻。

上述不規(guī)范操作均會影響焙燒爐使用壽命，因此，焙燒爐的操作運行質量對焙燒爐使用壽命的影響不容忽視。

1.5 陽極炭塊中堿金屬含量的影響

劉民章[11]系統(tǒng)分析了陽極焙燒爐火道墻中堿金屬的來源、危害及其控制途徑。文獻指出，由于預焙陽極生產中使用了大約15%～30%的殘極，且在電解槽中陽極一直有大約150 mm浸沒在電解質中，故電解質中的一部分K、Na會通過殘極循環(huán)利用帶入生陽極炭塊中(粗殘中的Na含量約為9 337×10-6；細殘中的Na含量約為3 771×10-6)；另外，預焙陽極生產的主要原料煅后焦中的Na含量也高達30×10-6，以及陽極生產所使用的粘結劑煤焦油瀝青中也含有0.003%～0.01%的Na。這幾個方面構成了預焙陽極生塊中堿金屬的主要來源，在焙燒過程中滲入焙燒爐火道墻磚中，并通過與火道墻磚耐火材料組元的反應，形成對耐火材料具有嚴重危害的膨脹相鉀霞石(含K)和霞石(含Na)，從而使耐火材料失效。

1.6 日常維護管理的影響

陽極焙燒爐的日常維護管理對于延長其使用壽命非常重要。在焙燒爐的運行過程中，由于種種原因，不可避免地會出現(xiàn)火道墻的局部破損、變形甚至爐面砌塊塌陷等，如果對于剛剛出現(xiàn)的較小缺陷不記錄和及時處理，那么，時間稍長，小缺陷將會發(fā)展成大缺陷，不但會增加焙燒爐維護保養(yǎng)的難度和工作量，還將對焙燒爐的使用壽命造成更大的影響。對于管理嚴謹細致的焙燒車間來說，焙燒爐運行工況的建檔、設備故障的及時檢查與登記、故障出現(xiàn)時間、類型與產生原因、處理方法以及處理效果等，應該在設備檔案中一目了然，以便再次出現(xiàn)類似故障及其處理時有可以查閱和借鑒的依據。

2 延長陽極焙燒爐使用壽命的措施

2.1 控制耐火材料質量

在陽極焙燒爐新建或大修時，要嚴格控制爐用耐火材料的質量。一是從信譽度良好的耐火材料生產廠家采購耐火材料；二是嚴格執(zhí)行有色行業(yè)陽極焙燒爐用耐火材料標準；三是在耐火材料進廠后，要委托有檢測資質的單位對行業(yè)標準所要求的項目進行逐一嚴格檢測，尤其是要對耐火材料的氧化鋁含量、顯氣孔率、0.2 MPa荷重軟化開始溫度、常溫耐壓強度、高溫抗折強度和耐熱震性能等進行檢測。此外，為了防止焙燒爐廢棄火道墻磚的“回用”，耐火磚中堿金屬Na、K含量應作為一個重點的檢測分析與控制項目。對于經檢測不合格的耐火材料，應堅決退貨，不能將帶有隱患的耐火材料用于焙燒爐砌體中。

2.2 控制筑爐質量

無論是炭素廠具備焙燒爐砌筑能力，還是采用交鑰匙工程，在焙燒爐砌筑過程中，一定要按照制定的焙燒爐砌筑施工方案進行砌筑作業(yè)。在焙燒爐砌筑時，炭素廠應指派經驗豐富、有良好現(xiàn)場協(xié)調能力的人員對施工質量進行監(jiān)控，如果條件允許的話，也可從專業(yè)機構聘請專業(yè)的工程監(jiān)理人員對施工質量進行監(jiān)督檢查，并認真做好監(jiān)理記錄。尤其是對火道墻，應嚴格控制磚縫大小和灰漿飽和度，不得出現(xiàn)空縫，不得向磚縫中補罐灰漿。另外，在砌筑過程中，要嚴格控制火道墻的密封措施。

2.3 控制烘爐質量

從以下幾個方面控制焙燒爐的烘爐質量：

1)爐體砌筑完成后，因其他設備未安裝完畢，生產條件受到限制，尤其在冬季對新砌筑的焙燒爐應進行保溫，保證各爐室、料箱溫度控制在5～10 ℃，防止爐室凍裂。

2)選用合理的烘爐曲線，尤其在300、800和1 150 ℃這幾個影響耐火材料性能的關鍵階段，一定要控制得當，確保耐火材料性能穩(wěn)定，其內部結構不會遭到破壞。

3)嚴格按照預定的烘爐升溫曲線進行升溫，當出現(xiàn)實際溫度與升溫曲線不符時，應在盡可能短的時間內調整溫度偏差使其符合曲線要求。

4)烘爐程序完成后，嚴格按照冷卻曲線進行爐體降溫，當爐內炭塊溫度冷卻至低于200 ℃時，方可進行出爐作業(yè)。

2.4 控制焙燒爐運行操作質量

應從以下幾個方面強化焙燒爐運行操作質量：

1)提高天車操作人員的操作技能，在裝爐和出爐過程中熟練掌握炭塊裝/出爐的位置準確性，避免在裝/出爐過程中陽極炭塊與火道墻發(fā)生碰撞而對火道墻造成的機械損傷；同時，爐面指揮人員也應加強與天車操作人員的溝通協(xié)調，避免因指揮失誤而造成陽極炭塊與火道墻碰撞的事件發(fā)生。

2)定期調整燃燒系統(tǒng)的火焰方向，實行燃燒火焰逆運行，避免長期同一方向燃燒火焰對火道墻造成的永久性變形。在陽極焙燒生產中，由于長期采用固定的燃燒方式和火焰移動方式，火道溫度特別是局部過高的溫度也呈固定分布。長期的高溫灼燒及循環(huán)生產，往往會造成端墻規(guī)則性變形彎曲、火道墻規(guī)則性凹陷、凸包及老化變形，導致大量火焰負壓擠死、料箱變窄和填充料滲漏等，嚴重影響焙燒爐使用壽命[12]。在對焙燒設備進行局部改造的基礎上，定期將焙燒爐的火焰方向調整為與原來運行方向相反的方向上，可以在很大程度上減緩上述問題的出現(xiàn)，從而延長焙燒爐的使用壽命，而且對焙燒陽極炭塊的質量沒有任何不良影響[12-13]。

2.5 控制預焙陽極原材料中堿金屬含量

預焙陽極中的堿金屬K、Na不僅對火道墻磚有很大的危害，而且對陽極炭塊的CO2反應性和空氣反應性有極大的影響，Na的存在使得電解過程中的陽極消耗增加。因此，必須控制通過各種途徑進入陽極焙燒爐中的堿金屬含量。

1)控制耐火材料中的堿金屬含量。陽極焙燒爐砌筑時，要嚴格按照行業(yè)規(guī)定的工業(yè)爐窯耐火材料標準選擇耐火磚。對于所采購的耐火磚，必須進行雜質含量分析檢測，將包括堿金屬在內的雜質含量控制在最低程度。

2)控制回收殘極中的堿金屬含量。由于陽極焙燒爐中的鈉主要來源于回收利用的殘極，而在火道墻磚的腐蝕中，來自殘極的高鈉含量起著至關重要的作用。因此，殘極清理是控制火道墻耐火磚中鈉含量的重要途徑。采用人工清理往往使得殘極中仍然保持較高含量的鈉；而采用殘極自動清理機則可以將殘極中的鈉含量降低至(60～83)×10-6，從而大大減少了通過生陽極進入焙燒爐的鈉含量[14]。

3)作為預焙陽極的粘結劑，“無鈉低灰”煤瀝青中的鈉含量(3×10-6～10×10-6)遠遠低于常用煤瀝青中的鈉含量(0.000 3%～0.1%)[15]，因此，用“無鈉低灰”煤瀝青代替常用煤瀝青作為預焙陽極粘結劑，也可以在一定程度上減少通過生陽極進入火道墻磚中的鈉含量。

2.6 在陽極焙燒爐中應用新材料和新技術

1)在陽極焙燒爐砌筑時，采用低蠕變莫來石火道墻磚，以降低火道墻磚的高溫蠕變率，提高荷重軟化點及抗熱震穩(wěn)定性[16]，延長焙燒爐使用壽命。

2)在陽極焙燒爐砌筑時，采用新型HY-MAC快速導熱火道墻磚，通過提高火道墻磚的導熱系數(shù)、耐高溫性能和耐壓強度，延長焙燒爐使用壽命[17]。

3)在陽極焙燒爐砌筑時，用離線砌筑技術代替現(xiàn)有的爐內砌筑技術，通過增加自然干燥期，解決剛砌完未進行干燥及嚴格烘爐管理就進入系統(tǒng)升溫而存在的不足，提高砌筑質量，延長使用壽命[18]。

4)在陽極焙燒爐砌筑時，采用鎖扣式透氣砌塊火道墻，取消常規(guī)砌筑火道墻中的豎縫，提高火道墻的整體性，可有效延遲火道墻墻體的開裂時間，從而延長焙燒爐使用壽命[19]。

3 結束語

陽極焙燒爐的運行工況及使用壽命關系到預焙陽極的正常生產、陽極質量和生產成本，對鋁電解過程的正常進行有著重要影響。保持良好的焙燒爐運行工況并延長其使用壽命非常重要。因此，全面分析影響陽極焙燒爐使用壽命的因素并制定切實有效的應對措施，對于保持良好的運行工況和延長使用壽命是非常必要的。