顶装料式熔铝炉炉底耐火材料砌筑工艺的改进

娄熙承

（重庆工商大学 机械工程学院，重庆400067）

熔铝炉按装料方式可分为依靠行车吊运加料桶从顶部装料的顶装料式熔铝炉和依靠装料车将原材料从侧面推入炉膛的侧装料式熔铝炉。顶装料式熔铝炉在装载几何形状不规则的大体积废料的时候，对比侧装料式熔铝炉有明显的优势。西南铝业（集团）有限责任公司熔铸厂的废料占投料量比例超过50%，总共14 台熔铝炉里就有11 台是顶装料式熔铝炉。 顶装料式熔铝炉在加料过程中， 废料从加料桶坠落到炉底，对炉底造成很大的冲击荷载，这是导致顶装料式熔铝炉炉底耐火材料使用寿命短的主要原因。 针对这一问题， 本文提出了一种缩减熔铝炉炉底防渗层和保温层厚度， 并在耐火材料工作层和防渗层之间增加 “缓冲层” 的新砌筑工艺来减少废料下坠对炉底工作层造成的冲击荷载。 这种新工艺首先被使用在西南铝业（集团）有限责任公司熔铸厂34#熔炼炉上，其炉底耐火材料的使用寿命得到了显著的延长。

1 改进方法

导致熔铝炉炉底耐火材料比炉膛其他部位的耐火材料易损的原因多方面的，比如炉膛的清渣工作[1]以及铝液的合金成分对耐火材料的渗透破坏[2]。 但装料过程中的冲击荷载应该是最主要的原因。 在了解了炉底耐火材料主要的破损机理后， 才能明确相应的改进措施。

1.1 传统的炉底砌筑工艺

按照传统的熔铝炉炉底耐火材料的砌筑工艺，耐火材料的砌筑分为3 层，从上到下分别是工作层、防渗层和保温层。 并根据经济炉衬厚度计算公式[3]确定炉衬的整体厚度。 如图1 所示，西南铝业（集团）有限责任公司熔铸厂34#熔炼炉原有的炉底结构也分为3 层， 最上层是由300 mm 高铝质耐火砖构成的工作层； 中间是由180 mm 耐火浇注料构成的防渗层； 最下层是由120 mm 高强度轻质漂珠砖构成的保温层。

图1 传统的熔铝炉炉底砌筑简图

以前因为熔铝炉燃烧器的技术能力和企业产量规模的原因， 熔铝炉的单炉次装载量大多在30 t 以下。装载量小，铸造机的产品规格就小，废料的体积和重量也较小。所以上述的传统砌筑工艺在长期的使用过程中，并没有出现严重的问题，因而被广泛的采用。但是随着科技以及企业生产规模的发展，熔铝炉的单炉次装载量也变得越来越大。西南铝业（集团）有限责任公司熔铸厂的这台34#熔炼炉单炉次装载量达到了75 t。 单块圆柱形铸锭废料的重量也达到了200 kg 左右。 所以，在使用同一厂家生产的同一牌号耐火材料的前提下， 以前规格较小的熔铝炉炉底耐火材料的使用寿命能超过2 a， 使用炉次在2 000 以上； 而这台34#熔炼炉自从新建投产到第一次停产检修炉底仅过了8 个月，使用炉次不足700。

1.2 废料对炉底冲击荷载的计算

对炉底造成过大冲击荷载的主要是铸造质量不合格的圆柱形铸锭废料，或是端部圆柱形铸锭（俗称“切头切尾废料”）。 按最坏可能性考虑，废料坠落时其长度方向与炉底工作层不平行， 导致废料对单块炉底耐火砖造成冲击。根据文献[4]，废料在装载过程中减少的动能Ek和势能Ep应该等于炉底耐火材料增加的应变能Vεd。

当废料坠落到达最低点位置时：

式中：P—废料的重量，N

h—废料距炉底耐火材料的距离，m

Δd—炉底耐火材料的位移，m

冲击荷载Fd和炉底耐火材料的位移Δd之间的关系如下：

式中：E—炉底耐火材料的弹性模量，Pa

A—高铝质耐火砖的横截面积，m2

l—高铝质耐火砖的长度，m

以及按照胡克定律写出应变能Vεd的表达式：

综上，推导出废料对炉底冲击荷载Fd的计算公式：

方程中Δst=Pl/EA，Δst是静位移， 就是将废料静止放在炉底耐火材料上时，炉底耐火材料的位移。

另外，根据文献[5]，计算出多层材料的弹性模量E：

式中：ti—为第i 层材料的厚度，m

Ei—为第i 层材料的弹性模量，Pa

将数值条件：t1=0.3 m，t2=0.18 m，t3=0.12 m，E1=1.7×1010Pa[6]，E2=1.5×1010Pa，E3=5×108Pa 代入多层材料的弹性模量E 的计算公式， 可得到E=1.31×1010Pa。

再 将 数 值 条 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的计算公式，可得到Fd=1.45×106N。然后进一步计算出耐火砖承受的冲击应力。

作为参考，目前市面上的耐火材料生产厂家所生产的高铝质耐火砖抗压强度普遍在130 MPa 左右。

1.3 改进的炉底砌筑工艺

由废料对炉底冲击荷载Fd的计算公式可知，增大静位移Δst，或是减小废料坠落高度h 可以减小相应的冲击荷载。 但坠落高度h 受限于熔铝炉的几何构造，难以改变。 所以增大静位移Δst就成了唯一的可行办法。 在炉底耐火材料工作层和防渗层之间增加一层缓冲层， 可以减小整个炉底耐火材料的弹性模量E。 因为Δst与E 成反比，随着弹性模量E 的减小，静位移Δst就会增大。 考虑到维持熔铝炉的容量不变和经济炉衬厚度计算公式， 在不改变原有炉底耐火材料厚度的情况下， 将原有防渗层的厚度由180 mm 减小为80 mm，将原有保温层的厚度由120 mm 减小为90 mm， 留出130 mm 的空间增设缓冲层，如图2 所示。

图2 改进的熔铝炉炉底砌筑简图

新增缓冲层的弹性模量要尽可能的小， 才能拉低整个炉底耐火材料的弹性模量E。 简而言之，缓冲层要尽可能的蓬松。 由于防渗层的材料是低水泥不定形耐火浇注料，如果在浇注过程中不添加水泥，该浇注料就无法凝固，也就能保持松散状态。 松散状态的不定形耐火浇注料的弹性模量与碎石垫层相当，可以近似的取E4=6×107Pa。 根据文献[5]，再一次计算出多层材料的弹性模量E′。

将数值条件：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 代入多层材料的弹性模量E′的计算公式，可得到E′=1.06×1010Pa。 由此计算出来的废料对炉底冲击荷载Fd′=1.3×106N， 较之原有的砌筑方案减少了10%。 工作层耐火砖承受的冲击应力也减小到133 MPa。

2 改进效果

在采用新的砌筑工艺完成检修工作之后，34#熔铝炉的炉膛容量以及设备运行过程中炉底钢结构的温度与之前的情况基本一致。 设备检修期间耐火材料砌筑工作的作业人员也与此前没有变化， 采用的耐火材料也都是由同样的厂家供货。 34#熔铝炉在新建完成投产后，第一次检修的间隔时间为8 个月，使用炉次为673；在按照新工艺砌筑炉底后，第二次检修的间隔时间为1 年7 个月，使用炉次为1 728。在取得了明显成效后，西南铝业（集团）有限责任公司熔铸厂对与34#熔铝炉同等规模的其余3 台熔铝炉炉底耐火材料的砌筑工艺进行了同样的改进，见表1。

表1 砌筑工艺改进前后使用情况对比

3 结论

从实际的改进效果看来， 增加缓冲层的砌筑新工艺能有效延长熔铝炉的使用寿命。 但不可否认的是， 仅从改造炉底耐火材料砌筑工艺的角度来思考如何解决顶装料式熔铝炉炉底的易损性问题是片面的。 随着熔铝炉的装载量越来越大，废料的规格越来越大，炉底易损性的问题会越来越突出。 所以，根本的解决之道还是要在综合考虑熔铝炉的停机检修成本和工厂运营成本的前提下， 先用切割设备将废料尽可能地切分成小块，或是在向熔铝炉装载废料前，先在炉底装载碎屑或是小块的原料铝锭。 当然，在各种解决方案中， 改进炉底耐火材料的砌筑工艺是最为简单易行的。