頂裝料式熔鋁爐爐底耐火材料砌筑工藝的改進

婁熙承

（重慶工商大學 機械工程學院，重慶400067）

熔鋁爐按裝料方式可分為依靠行車吊運加料桶從頂部裝料的頂裝料式熔鋁爐和依靠裝料車將原材料從側面推入爐膛的側裝料式熔鋁爐。頂裝料式熔鋁爐在裝載幾何形狀不規則的大體積廢料的時候，對比側裝料式熔鋁爐有明顯的優勢。西南鋁業（集團）有限責任公司熔鑄廠的廢料占投料量比例超過50%，總共14 臺熔鋁爐里就有11 臺是頂裝料式熔鋁爐。 頂裝料式熔鋁爐在加料過程中， 廢料從加料桶墜落到爐底，對爐底造成很大的沖擊荷載，這是導致頂裝料式熔鋁爐爐底耐火材料使用壽命短的主要原因。 針對這一問題， 本文提出了一種縮減熔鋁爐爐底防滲層和保溫層厚度， 并在耐火材料工作層和防滲層之間增加 “緩沖層” 的新砌筑工藝來減少廢料下墜對爐底工作層造成的沖擊荷載。 這種新工藝首先被使用在西南鋁業（集團）有限責任公司熔鑄廠34#熔煉爐上，其爐底耐火材料的使用壽命得到了顯著的延長。

1 改進方法

導致熔鋁爐爐底耐火材料比爐膛其他部位的耐火材料易損的原因多方面的，比如爐膛的清渣工作[1]以及鋁液的合金成分對耐火材料的滲透破壞[2]。 但裝料過程中的沖擊荷載應該是最主要的原因。 在了解了爐底耐火材料主要的破損機理后， 才能明確相應的改進措施。

1.1 傳統的爐底砌筑工藝

按照傳統的熔鋁爐爐底耐火材料的砌筑工藝，耐火材料的砌筑分為3 層，從上到下分別是工作層、防滲層和保溫層。 并根據經濟爐襯厚度計算公式[3]確定爐襯的整體厚度。 如圖1 所示，西南鋁業（集團）有限責任公司熔鑄廠34#熔煉爐原有的爐底結構也分為3 層， 最上層是由300 mm 高鋁質耐火磚構成的工作層； 中間是由180 mm 耐火澆注料構成的防滲層； 最下層是由120 mm 高強度輕質漂珠磚構成的保溫層。

圖1 傳統的熔鋁爐爐底砌筑簡圖

以前因為熔鋁爐燃燒器的技術能力和企業產量規模的原因， 熔鋁爐的單爐次裝載量大多在30 t 以下。裝載量小，鑄造機的產品規格就小，廢料的體積和重量也較小。所以上述的傳統砌筑工藝在長期的使用過程中，并沒有出現嚴重的問題，因而被廣泛的采用。但是隨著科技以及企業生產規模的發展，熔鋁爐的單爐次裝載量也變得越來越大。西南鋁業（集團）有限責任公司熔鑄廠的這臺34#熔煉爐單爐次裝載量達到了75 t。 單塊圓柱形鑄錠廢料的重量也達到了200 kg 左右。 所以，在使用同一廠家生產的同一牌號耐火材料的前提下， 以前規格較小的熔鋁爐爐底耐火材料的使用壽命能超過2 a， 使用爐次在2 000 以上； 而這臺34#熔煉爐自從新建投產到第一次停產檢修爐底僅過了8 個月，使用爐次不足700。

1.2 廢料對爐底沖擊荷載的計算

對爐底造成過大沖擊荷載的主要是鑄造質量不合格的圓柱形鑄錠廢料，或是端部圓柱形鑄錠（俗稱“切頭切尾廢料”）。 按最壞可能性考慮，廢料墜落時其長度方向與爐底工作層不平行， 導致廢料對單塊爐底耐火磚造成沖擊。根據文獻[4]，廢料在裝載過程中減少的動能Ek和勢能Ep應該等于爐底耐火材料增加的應變能Vεd。

當廢料墜落到達最低點位置時：

式中：P—廢料的重量，N

h—廢料距爐底耐火材料的距離，m

Δd—爐底耐火材料的位移，m

沖擊荷載Fd和爐底耐火材料的位移Δd之間的關系如下：

式中：E—爐底耐火材料的彈性模量，Pa

A—高鋁質耐火磚的橫截面積，m2

l—高鋁質耐火磚的長度，m

以及按照胡克定律寫出應變能Vεd的表達式：

綜上，推導出廢料對爐底沖擊荷載Fd的計算公式：

方程中Δst=Pl/EA，Δst是靜位移， 就是將廢料靜止放在爐底耐火材料上時，爐底耐火材料的位移。

另外，根據文獻[5]，計算出多層材料的彈性模量E：

式中：ti—為第i 層材料的厚度，m

Ei—為第i 層材料的彈性模量，Pa

將數值條件：t1=0.3 m，t2=0.18 m，t3=0.12 m，E1=1.7×1010Pa[6]，E2=1.5×1010Pa，E3=5×108Pa 代入多層材料的彈性模量E 的計算公式， 可得到E=1.31×1010Pa。

再 將 數 值 條 件：A =9.75 ×10-3m2，l =0.6 m，E =1.31×1010Pa，P=1.96×103N，h=2.5 m 代入Fd的計算公式，可得到Fd=1.45×106N。然后進一步計算出耐火磚承受的沖擊應力。

作為參考，目前市面上的耐火材料生產廠家所生產的高鋁質耐火磚抗壓強度普遍在130 MPa 左右。

1.3 改進的爐底砌筑工藝

由廢料對爐底沖擊荷載Fd的計算公式可知，增大靜位移Δst，或是減小廢料墜落高度h 可以減小相應的沖擊荷載。 但墜落高度h 受限于熔鋁爐的幾何構造，難以改變。 所以增大靜位移Δst就成了唯一的可行辦法。 在爐底耐火材料工作層和防滲層之間增加一層緩沖層， 可以減小整個爐底耐火材料的彈性模量E。 因為Δst與E 成反比，隨著彈性模量E 的減小，靜位移Δst就會增大。 考慮到維持熔鋁爐的容量不變和經濟爐襯厚度計算公式， 在不改變原有爐底耐火材料厚度的情況下， 將原有防滲層的厚度由180 mm 減小為80 mm，將原有保溫層的厚度由120 mm 減小為90 mm， 留出130 mm 的空間增設緩沖層，如圖2 所示。

圖2 改進的熔鋁爐爐底砌筑簡圖

新增緩沖層的彈性模量要盡可能的小， 才能拉低整個爐底耐火材料的彈性模量E。 簡而言之，緩沖層要盡可能的蓬松。 由于防滲層的材料是低水泥不定形耐火澆注料，如果在澆注過程中不添加水泥，該澆注料就無法凝固，也就能保持松散狀態。 松散狀態的不定形耐火澆注料的彈性模量與碎石墊層相當，可以近似的取E4=6×107Pa。 根據文獻[5]，再一次計算出多層材料的彈性模量E′。

將數值條件：t1=0.3 m，t2=0.08 m，t3=0.09 m，t4=0.13 m，E1=1.7×1010Pa，E2=1.5×1010Pa，E3=5×108Pa，E4=6×107Pa 代入多層材料的彈性模量E′的計算公式，可得到E′=1.06×1010Pa。 由此計算出來的廢料對爐底沖擊荷載Fd′=1.3×106N， 較之原有的砌筑方案減少了10%。 工作層耐火磚承受的沖擊應力也減小到133 MPa。

2 改進效果

在采用新的砌筑工藝完成檢修工作之后，34#熔鋁爐的爐膛容量以及設備運行過程中爐底鋼結構的溫度與之前的情況基本一致。 設備檢修期間耐火材料砌筑工作的作業人員也與此前沒有變化， 采用的耐火材料也都是由同樣的廠家供貨。 34#熔鋁爐在新建完成投產后，第一次檢修的間隔時間為8 個月，使用爐次為673；在按照新工藝砌筑爐底后，第二次檢修的間隔時間為1 年7 個月，使用爐次為1 728。在取得了明顯成效后，西南鋁業（集團）有限責任公司熔鑄廠對與34#熔鋁爐同等規模的其余3 臺熔鋁爐爐底耐火材料的砌筑工藝進行了同樣的改進，見表1。

表1 砌筑工藝改進前后使用情況對比

3 結論

從實際的改進效果看來， 增加緩沖層的砌筑新工藝能有效延長熔鋁爐的使用壽命。 但不可否認的是， 僅從改造爐底耐火材料砌筑工藝的角度來思考如何解決頂裝料式熔鋁爐爐底的易損性問題是片面的。 隨著熔鋁爐的裝載量越來越大，廢料的規格越來越大，爐底易損性的問題會越來越突出。 所以，根本的解決之道還是要在綜合考慮熔鋁爐的停機檢修成本和工廠運營成本的前提下， 先用切割設備將廢料盡可能地切分成小塊，或是在向熔鋁爐裝載廢料前，先在爐底裝載碎屑或是小塊的原料鋁錠。 當然，在各種解決方案中， 改進爐底耐火材料的砌筑工藝是最為簡單易行的。