炼铝炉用高性能复合材料制品的开发

炼铝炉用高性能复合材料制品的开发

现代畜牧业的生产需要大量的精细材料应用，以便为高、高产品的生成创造一个内在的结构。与此同时保证修补时间短,有可能用最小的劳动量来更换炉衬,以及保证生产操作持续时间长等因素也很重要。因此,无论是黑色冶金还是有色冶金用耐火制品、不定形料、浇注料混合物的生产工艺所涉及的问题就是如何扩大原料的系列,其中包括以前不曾使用的原料,以及如何选配新型结合剂和烧结性组分。众所周知,有色金属冶炼炉的内衬可采用若干方法来筑造,其方法如下:(1)由成型后烧成的各种异型制品砌筑;(2)由捣打料筑成,并随后进行干燥与烘炉;(3)由含有水硬性结合剂(水泥)的耐火浇注料分段浇注炉衬,随后进行干燥和烘炉;(4)由在炉子之外采用耐火浇注料浇注的壁板(经焙烘处理后)安装组成的。也可采用复合板,即成套的壁板(工作层和隔热层)来组装炉衬。各冶金公司掌握的所有这些筑炉方案既有优点,也有缺点,但是它们被证明是有效的,因为炉子的使用寿命相当高。在俄罗斯的炼铝企业中近年来正在对上述各种筑炉材料进行工业试验,但是通常在各个不同工厂中在外国公司协助下采用由外国进口的材料筑炉。因此,近年来最迫切的任务就是本国企业是否能生产所要求系列的耐火材料,以取代进口的耐火材料。近年来彼尔沃乌拉尔斯克硅砖厂进行的工艺研究工作表明,根据要求可以生产上述炉子和混合炉用的成套耐火材料。其依据如下:———可以自行生产刚玉和铝镁尖晶石;———多年供应进口铝土矿;———有组织的供应优质进口水泥和加入剂,并保证混合物质量可靠;———具备各种成型设备和制备泥料用现代化混合机,以及焙烧窑和生产耐火材料所需要的其它设备。炼铝炉炉衬对耐火材料的要求具有其特殊性,这在工业试验中得到了验证。目前,彼尔沃乌拉尔斯克硅砖厂已经掌握了刚玉-重晶石烧成制品的两种生产工艺。其中一种牌号为ВГББ-3Φ制品是采用正磷酸作结合剂生产的。该制品的常温耐压强度达到80～100N·mm-2,开口气孔率为17%～18%。该项指标与同一级别较好的进口制品处于同一水平。彼尔沃乌拉尔斯克硅砖厂还掌握了牌号为ВГББ-3制品的生产工艺,所用结合剂为高浓缩的铝土矿悬浮液,此种结合剂的优点早已熟知。在生产此种制品时显著地减少了磷酸盐结合剂的加入量,因为对于某些种类合金来说不希望加入此类盐,因为它会使合金受到污染。该类制品具有相当高的常温耐压强度(>60N·mm-2),这比牌号为ВГББ-3Φ的制品稍低些。牌号为ВГББ-3和ВГББ-3Φ的制品的物理化学性能见表1。应当指出,必要时与订货方协商,可将制品厚度的误差规定为±0.5mm,这对于完成熔池优质砌筑是极为有利的。根据我们的观点,ВГББ-3Φ型制品更适于砌筑冶炼炉,因为导致炉衬损毁的因素之一就是固体炉料的荷重和撞击,而这些现象在装料斗工作时是难以避免的。砌筑混合炉,我们认为最好采用ВГББ-3型制品,因为它含有的磷酸盐数量较少,而且其价格也低。克拉斯诺乌拉尔斯克炼钢厂股份有限公司近年来采用了此种方案。该厂在2003～2004年期间采用ВГББ-3型制品砌筑炼铜炉和混合炉的炉衬,而在2003～2006年期间采用ВГББ-3Φ型制品砌筑30t炼铜炉炉衬,而混合炉炉衬则采用ВГББ-3型制品砌筑。到目前为止,生产操作人员对此类炉子的作业状况尚未提出任何意见。根据生产的成功经验,工厂正在不断地推广采用此类耐火材料检修炉子。众所周知,只有采用不被铝水浸渍的火泥才能砌筑优质炉衬,为此,在生产中开发了ММЛФ-64型火泥(见表2)。该火泥系利用刚玉、铝镁尖晶石和重晶石(或者其它不易被铝水润湿的组分)制成的。与MMK-85型莫来石刚玉火泥不同(该火泥采用正磷酸溶液混合),而新型火泥的配料组成中加入的结合剂仅用水来混合。克拉斯诺乌拉尔斯克炼铜厂股份有限公司进行的试验结果表明,采用新型火泥砌筑的砖缝未被铝水浸渍。伏尔加汽车厂股份有限公司对此种火泥是否适用于砌筑炼铝炉的炉衬做了补充试验,其结果也证明了该火泥的质量良好,并具有比先前开发的ММКФ-80型火泥更好的工艺性能。应当指出,ММЛФ-64型火泥是对ММКФ-80型火泥实施改善的火泥,根据其使用结果,查明了改善使用性能所需要的某些参数。在生产ВГББ-3型制品之前,开发并试生产了ВГБСБ-3型莫来石刚玉捣打料,该捣打料的理化性能见表3。采用此种捣打料的炉衬,其使用寿命比采用莫来石刚玉捣打料(含Al2O3>62%)高2～3倍。结合冶炼炉和混合炉炉衬的实践,采用此种捣打料时,无论是在炉壁与熔池接触区域或在其它部位,其使用效果都良好。此外,当炉衬受到任何局部损毁时,则此种料可以起着修补料的作用。采用此种料可以进行局部修补并使炉衬恢复工作。按照我们的观点,将捣打料与普通异形砖(由此种料制造的异形砖或者由ВГББ-3Φ型料制造的异形砖)配合使用具有如下优越性:(1)相当节约(目前所推荐的制品和料的价格低于采用优质水泥调制的浇注料混合物的价格);(2)可以缩短停炉检修的时间(不需要长时间干燥);(3)可以保留筑炉工人已掌握的筑炉方法(大部分炉衬暂时仍采用耐火制品来砌筑)。当必须采用浇注料工艺的情况下,应考虑到ВГБСБ-3型捣打料是触变性浇注料(不含水泥),其炉衬施工方法与含水泥的浇注料相同。唯一的区别在于浇注ВГБСБ-3型浇注料之后必须进行干燥,取消了水泥水硬化的养生时间,为此必须制造金属模板。为了从用浇注料筑造的大型混合炉炉衬中排除水分,最好向料中加入有机纤维,在采用含水泥的浇注料时更是如此。当采用干料来筑造炼铝炉的炉衬时,这可以显著地缩短修炉时间,并使生产过程中的手工劳动费用大幅度降低。我们开发了并向一些企业供应了КСВШ-1型刚玉尖晶石料。此种料的主要原料为刚玉,同时还向该料的配料中加入25%电熔铝镁尖晶石。采用此种料的方案之一就是通过对模板实施振动来使料受到致密作用,则此种料已成为成品,可供应使用,该料的理化性能见表4。在开发此种料时可确定,该料可成为具有多种用途的料,就是说可作半干捣打料,也可作浇注料。同时研究结果表明,于800℃及1000℃烧成之后,试样出现收缩现象,这与它们的制备方法无关。此外,还发现随着润湿程度的增大,试样的抗热震性(800℃,水冷)从7次增大至50次。按照我们的观点,抗热震性提高的原因如下:加水时助烧结性加入剂部分溶解,而且在整个料中分布得较为均匀。同样地这将导致在刚玉和尖晶石颗粒之间形成较薄的玻璃膜,它与颗粒之间的玻璃形成物的桥形结构不同,当采用干态加入剂时会出现此类结构。趋向于采用湿料的用户也可以按照半干法来使用此种料。基于上述情况可以得出如下结论:对于按照连续式制度工作的炉子的正常操作来说,采用干法筑造炉衬则更经济,此时干燥所需能源消耗下降和施工时间有所缩短。如果炉衬在间断式生产制度下进行工作,就是说经常停炉,炉衬受到骤然冷却,则最好采用浇注料筑衬,因为此时抗热震性则成为主导的因素。近年来,КСВШ-1型料成功地用作布拉特斯克炼铝厂的ИАТ-6型炉子的炉衬及克拉斯诺乌拉尔斯克炼铜厂股份有限公司的ИАТ-10型炉子的炉衬。为了便于此类炉子炉衬局部损毁部位的检修,专门制定了检修方案。利用该方案可延长炉衬主要部分的使用寿命,从而降低了生产费用。近年来随着彼尔沃乌拉尔斯克硅砖厂股份有限公司的综合发展,开发了刚玉低水泥触变性浇注料和刚玉铝土矿低水泥触变性浇注料。所开发的浇注料的性能见表5。对于炼铝炉的炉衬来说,其对铝水的吸附力宜低,故向一些浇注料的配料中加入重晶石,以保证炉衬不被铝水润湿。加入重晶石的各种牌号浇注料的性能见表6。由表5及表6可见,就理化性能而言,开发的浇注料具有相当高的性能指标,其实际指标要比技术文件中的要求高许多。目前使用某些种类浇注料制造了各种用途的制品,例如:管形制品、套筒、座砖、金属液输送槽等,并在铝水过滤装置用坩埚上进行试验(见图1,略)。实际上,根据我们已掌握的工艺,完全可以浇注形状和尺寸复杂的制品,同时还可以根据订货方的要求采用浇注料来筑造炉衬。在筑造大型实体炉衬时必要情况下还可以向浇注料配料中加入有机纤维,以便在进行干燥和烧成时保证水分蒸发过程正常。在彼尔沃乌拉尔斯克硅砖厂股份有限公司现有的条件下,可以试生产大型壁板和砌块,其中包括复合板。同时可以按照上述冶炼炉和混合炉的施工方案来筑造炉衬。利用刚玉质、刚玉-重晶石质、刚玉尖晶石质和尖晶石质等不定形料筑造的炉衬坚固耐用和使用寿命长,但是其实体较大且热导率高,对于冶炼炉、混合炉或者铸罐来说则不太适用,而且对于浇铸管线来说也不是较好的方案。通常铝水浇铸管线外型尺寸小,通过它流过的铝水数量也不多,因而它可能受到冷却。因此,在大多数企业中此类槽采用含有石棉的衬板,其寿命不超过1～3昼夜,此时有大量的非金属夹杂物(石棉纤维及部分粘土)落入铝水中,这自然会影响到最终成品的质量。近年来采用纤维复合材料来生产制品,其牌号为АКБФ,制品性能见表7。与以前采用方镁石砂作骨料生产的制品(ПКБФ型制品)不同,生产此类制品时我们采用了铝镁尖晶石,它能很好地抵抗铝水的侵蚀。АКБФ型制品经过了广泛的试验和推广,主要用于作热电偶的套管(在伏尔加汽车厂股份有限公司ПКБФ型制品套管的使用寿命为25～30昼夜),也可以用于作流槽、漏斗、塞头砖和其它管线制品。除了不被铝水润湿之外,此类制品具有较高的抗热震性和较低的热导率,可以把它用于浇铸管线上,而不必设隔热层,或者在其中放置由莫来石氧化硅厚纸或棉毡制成的垫层。在此种方案中嵌层板可以做成薄壁形的(3～5mm),这样较为经济。对于较为大型的制品,诸如回转槽、倾动式槽、输送槽等应做成自承重式结构。应当指出,采用纤维复合材料不仅可以制造形状简单的制品,还可以制造形状复杂的制品。图2～4中示出我们所生产的若干制品,并已向克列梅秋格汽车厂股份有限公司供货。由图中可见,此类制品外形尺寸达到长度1.5m,宽度1m,其重量达到50kg。在各种槽和流槽中АКБФ型制品的使用寿命为3～5周,而石棉粘土嵌层板的使用寿命则不超过3昼夜。在铝水和铝合金液中纤维复合材料制品的抗损毁性能较好,系由于上述熔体对尖晶石氧化铝耐火材料基质的吸附力较低,不仅可以用它取代含石棉的复合材料(认为此种材料对环保有害),而且还可以减少金属熔液中的非金属夹杂物的数量,因为它进入上述熔体中的单位数量相当少。我们还研究了牌号为ККБ-70的刚玉碳化硅浇注料。除了上述材料之外,此种材料在炼铝炉炉衬方面也占有一席之地。此种浇注料的工艺研究结果表明,无论是在铝的冶炼和精炼方面,还是在锌的冶炼和精炼方面,此种浇注料都是有良好应用前景的(见表8)。试验表明,由于此种浇注料的综合性能好,诸如振动成型时的流动性高、对金属熔体的吸附力低、热导率高,因而可以采用它制造各种不同用途的制品,如坩埚内衬和加热元件。第一批试验品系为5t铝水混合炉的炉顶制品,在这里它作为加热元件来从上方对熔池进行预热。与此种系统类似,也制造了加热元件。由于在制品中设有加热元件,因而可使铝水过滤装置的熔池保持所需要的温度。除了炼铝生产之外,我们看到在炼锌生产中此种浇注料也有应用前景。我们从订货方收到订单便是我们生产炼锌装置用制品的依据。对于炼锌加热装置来说,摆在我们面前的课题就是制造导热软管,而且软管应含有尽量多的碳化硅。在该软管中设置含SiC约70%的分流器。该软管位于锌水液面之下,并向其中输送煤气空气混合物。该混合物燃烧时可保证金属液受到预热,并使其温度保持在规定范围之内。因此,要求制造两种制品,而且要使其成分接近于进口的产品,并保证该装置操作正常。通过研究和试验,我们得出结论:对于软管可以采用等静压成型方案,分流器可以采用振动浇注方案,所用原料为ККБ-70型浇注料。在刚玉碳化硅制品生产工段制造软管。采用由有机结合剂调配的碳化硅和石墨混合物在EPSI型液压机上以等静压法来成型软管。该制品(由KKT型料制造的软管和由KKБ-70型料制造的分流器)的试用结果表明,所选择的方案是正确的。在镀锌装置中软管的使用寿命为3～4个月,比进口的制品低许多,在该条件下进口制品的使用寿命为3～6个月。目前已经成批地生产软管和分流器,并在另一工厂对这些制品进行试用。将此类制品(ККТ型软管及ККБ-70型分流器)联合使用取得了良好结果,采用ККБ-70型浇注料不仅可制造分流器,还可制造软管。采用ККБ-70型浇注料制造的两支试验软管安装在镀锌熔池中,其使用寿命成功地达到4～4.5个月。此种结果完全满足了订货方的要求,因为此种产品的价格远远低于由自结合碳化硅制造的软管的价格。取得的结果足以可使用户树立起对在镀锌装置中使用该种浇注料前景的信心。从2008年开始采用ККБ-70型浇注料制造一系列制品供炼锌装置使用。应当指出,在炉子上应考虑采用АКБФ型浇注料来制造炉顶砖,从而保证其隔热状况良好。炉顶简化吊挂结构,可使整个炉顶结构轻形化。炉顶是炉子的重要构件之一。众所周知的方案(拱顶、悬吊式顶等)主要采用异型砖、锒板和大砖砌筑。类似的方案要求对炉顶结构(构架、悬吊件、附加隔热层等)进行特别慎重的设计。根据采用纤维材料已积累的经验,按照我们的观点,由轻形框架式锒板砌筑