40 t电热铝用混合炉硅碳棒损坏原因及预防措施

樊晓伟 刘民章

(青海桥头铝电股份有限公司, 青海 西宁 810100)

0 前言

铝用混合炉是铝电解企业将高温电解铝液转化为重熔铝锭的最重要的生产设备。当铝电解槽中的原铝液达到一定高度时，通过压缩空气将电解槽中的电解铝液吸入到真空抬包中，并用专用的铝液运输车将其运送到重熔铝锭铸造车间，然后采用天车和人工地面配合或采用虹吸装置将电解铝液由真空抬包转注到混合炉中。在混合炉中，通过成分调配、温度调整、除渣除气处理、搅拌、静置和扒渣等一系列工序，在16 t/h或20 t/h的连续铸造机生产线上，将电解铝液铸造成规格为20 kg的重熔铝锭。

硅碳棒作为混合炉的加热元件，在空气、氮气和氩气环境气氛中的最高使用温度可达1 540 ℃。通常情况下，在1 000 ℃的炉温下可以连续使用半年左右[1]。然而，某铝电解厂40 t电热混合炉在生产运行过程中发现，硅碳棒电热元件的使用寿命远远达不到半年左右的使用周期，大多数硅碳棒的使用时间为90天左右，一部分使用寿命只有20～30天，极少数硅碳棒的使用时间仅有3～5天，这不仅给重熔铝锭铸造生产带来不便，拖延了生产进度，而且增加生产成本，并增大了检修工人的劳动强度。因此，分析硅碳棒使用寿命短的原因，提出切实可行的延长硅碳棒使用寿命的措施，成为确保重熔铝锭铸造生产正常化和降低铸造成本的重中之重。

1 铝用混合炉的基本构造

某铝电解厂的重熔铝锭铸造车间安装了4台容量为40 t的电热铝用混合炉。该混合炉采用左右移动的炉盖开合方式，因此，每台炉有两片炉盖，并采用顶部供热方式对熔池内铝液进行加热。炉盖主体由钢制焊接构架和浇注料预制块组合安装而成。在预制块浇注时，根据硅碳棒的规格及安装要求将硅碳棒的安装位置(安装孔)预留出来并在一定温度下焙烧成形。两个炉盖上共均匀安装有36支“一字”型硅碳棒，两端均为接线端，其中一端位于两个炉盖的中间。由于进入混合炉的电解铝液温度较高(800～900 ℃)，为避免局部温度过高对硅碳棒及接线卡子造成损坏，在两个炉盖中间安装了压缩空气管道对该部位进行不间断降温，以确保硅碳棒对熔池内炉料的正常加热。

2 硅碳棒损坏的原因分析

硅碳棒是以高纯碳化硅为主要原料，经过高温再结晶处理后制成的非金属电热元件，具有耐高温、抗氧化寿命长、膨胀系数小、高温下不变形及单位表面积负荷大等优点[2-3]。但是，硅碳棒在常温下质地很硬并具有很大的脆性，在运输、搬运、存放、安装和使用过程中，稍有应力施加就可能造成硅碳棒产生裂纹甚至断裂。在实际生产过程中，造成铝用混合炉用硅碳棒损坏的原因可能有以下几个方面：

2.1 运输、搬运、储存及安装过程中的损坏

通常，电解铝厂铝用混合炉用的硅碳棒主要是由硅碳棒生产厂家或经销商以一定的包装形式(通常为简易木板包装箱)通过火车或汽车长途运送至电解铝厂。在装缷、搬运过程中，稍有不慎就会发生碰撞或较大的震动，从而造成硅碳棒直接损坏而报废；另外，还可能在碰撞或震动发生时，使硅碳棒表面产生肉眼所看不见的微观裂纹，这种裂纹的产生会使硅碳棒的电阻增大，从而缩短其使用寿命。

2.2 安装不符合规范

如果硅碳棒在炉盖上安装时不规范，也会造成硅碳棒在使用过程中损坏。不规范安装表现为以下几方面：

1)炉盖浇注料预制块上安装硅碳棒的预留孔直径过小，在硅碳棒高温膨胀伸缩时会受到较大阻碍，导致其发生断裂。

2)硅碳棒在安装时没有进行电阻匹配测量，使得同一时间安装或更换的硅碳棒的电阻大小不一，也会导致各个硅碳棒在通电加热时所产生的单位表面负荷差异过大，从而导致单位表面负荷大的硅碳棒过早损坏。

3)硅碳棒安装接线时，硅碳棒两个端部的白钢接线卡子紧固的太紧，过大的紧固力作用使硅碳棒端部产生裂纹，造成硅碳棒有效导电面积减小，或者造成硅碳棒导电面积上的电流密度差异过大，使得硅碳棒通电运行时的温度差异过大而过早损坏。

4)具有一定规模或者安装同一型号混合炉的电解铝厂铸造车间，为确保重熔铝锭铸造生产的顺利进行，准备一定数量的硅碳棒备品很有必要。但是，如果硅碳棒的保存条件较差，如存放环境潮湿、不通风等，就会使得硅碳棒受潮，造成硅碳棒的电阻值增大，甚至在通电运行过程中发生崩裂而导致硅碳棒损坏。

5)新安装或更换的硅碳棒开始通电运行时，工作电压上升过快，即在较短的时间内达到较高的工作温度，也会因为电压(或温度)斜率过陡，使硅碳棒内产生较大的应力集中而导致硅碳棒产生裂纹或断裂。

2.3 加料操作不规范

铝用混合炉的加料操作包括电解铝液入炉和固体冷料入炉两部分。

2.3.1 电解铝液入炉

通常电解铝液入炉是利用天车将真空抬包吊运至混合炉入铝口上方，然后采用人工或电动方式使真空抬包的倒铝口倾斜，由于抬包包体的直径大于2 m，因此在电解铝液入炉过程中，倒铝口与混合炉的入铝口之间的距离通常大于1 m。电解铝液由抬包倒铝口倾泻而出进入混合炉中，并与熔池底部耐火材料或炉内铝液发生激烈碰撞而使铝液发生喷溅，当铝液喷溅到硅碳棒表面上时，由于硅碳棒表面存在许多毛细小孔，铝液会通过这些小孔进入硅碳棒并粘附在硅碳棒表面，从而使硅碳棒在通电运行时局部表面负荷增大而产生更高的工作温度，导致硅碳棒断裂。

2.3.2 固体冷料入炉

向混合炉内加入固体冷料时，如果操作不当，也会发生上述电解铝液入炉的现象；而且固体冷料添加过多或其高度超标，就会发生固体冷料与硅碳棒碰撞的现象，导致硅碳棒断裂。

2.4 硅碳棒长期受热变形

虽然硅碳棒的热稳定性比较好，但是如果硅碳棒长期在1 000 ℃左右的高温下运行，也会产生较大的变形。通常，硅碳棒都是通过炉盖耐火材料预制块上的预留孔水平安装在炉盖上的，随着热态运行时间的延长，硅碳棒中部会产生下垂，当下垂程度较大时，就会导致硅碳棒从该部位断裂而报废。

2.5 氧气和水蒸气的长期氧化

由于硅碳棒的使用环境是在含有大量氧气和水蒸气的大气气氛中，因此，硅碳棒的主要成分碳化硅也会与空气中的氧气和水蒸气发生反应，使硅碳棒逐渐氧化而发生老化现象：

(1)

(2)

上述两个反应的持续进行会在硅碳棒表面生成SiO2，而SiO2的生成又会造成硅碳棒电阻的增加，导致硅碳棒的表面温度升高，从而加速硅碳棒的氧化消耗，最终造成硅碳棒断裂。

2.6 检修操作不当

在炉盖检修操作时，如果操作不当，就会发生检修工具(如扳手、手钳等)与硅碳棒碰撞现象，造成硅碳棒损伤、裂纹甚至断裂，尤其是当硅碳棒使用时间较长时，由于氧气和水蒸气的长期氧化，老化现象导致其脆性比新硅碳棒大大增加，添加固体炉料和检修时更应注意这个问题。

3 预防硅碳棒损坏的措施

结合硅碳棒的性能特点和造成铝用混合炉用硅碳棒损坏的可能原因，在实际生产过程中，应从以下几个方面预防铝用混合炉硅碳棒的损坏：

3.1 加强运输、搬运、储存及安装过程中硅碳棒的保护

电解铝厂重熔铝锭铸造车间在硅碳棒采购时，应对供货方明确硅碳棒的包装要求，除了要求提供刚度比较高的外部包装外，供货方还应在包装箱内添加质地较软而且具有一定厚度的内部包装，在硅碳棒运输、装卸过程中发生震动或碰撞时起到有效的缓冲作用，从而避免硅碳棒的损毁。此外，在搬运硅碳棒过程中，要做到轻拿轻放，避免胡乱抛掷以及不加限制地在硅碳棒包装箱上码放其他重物。

3.2 规范硅碳棒的安装

1)在制作炉盖浇注料预制块时，应将安装硅碳棒预留孔的直径设计的稍大一些，应为硅碳棒两端部直径的1.4～1.6倍，使硅碳棒能够顺利通过预留孔而不与耐火材料发生碰撞，并且能够在预留孔内360°自由旋转，确保硅碳棒在受热时所产生的伸缩不受阻碍。

2) 硅碳棒在安装时必须进行电阻匹配测量，使得同一时间安装或更换的硅碳棒保持比较一致的电阻值，减小各个硅碳棒在通电加热时所产生的单位表面负荷差异，将由于单位表面负荷过大而造成的硅碳棒过早损坏减小到最低程度。

3)硅碳棒安装接线时，硅碳棒两个端部的白钢接线卡子不能一次紧固得太紧，应在初步紧固的基础上通电运行一段时间，使硅碳棒均有一定的高温塑性后再次紧固，这样可以有效防止在硅碳棒室温脆性大(塑性低)的情况下，由于过大紧固力而使硅碳棒端部产生裂纹或破裂；也可以防止由于紧固裂纹的出现造成硅碳棒有效导电面积减小，以及硅碳棒导电面积上的电流密度差异过大，造成硅碳棒通电运行时局部的温度差异过大而产生的硅碳棒过早损坏。

4)硅碳棒备品备件的保存场地必须干燥通风，防止硅碳棒因保存期间淋雨受潮而造成电阻值的增大，进而导致其在通电运行时发生崩裂。

5)对于新安装或更换的硅碳棒，开始通电时应控制其工作电压为正常工作电压的约50%，然后随着运行时间的延长逐步将其工作电压提升至正常工作电压，以避免因升温过快而导致硅碳棒内部应力集中的产生，避免硅碳棒产生裂纹或断裂。

3.3 规范和改进混合炉的加料作业

为了避免炉料加入时因铝液飞溅对硅碳棒造成的损坏，采取以下措施：

1)采用虹吸装置将电解铝液由真空抬包中转注进入混合炉熔池中[4]。因为采用虹吸装置转注电解铝液时，铝液是在负压作用下直接由真空抬包中吸至混合炉的熔池底部，不会与熔池底部耐火材料或熔池内的铝液发生碰撞，从而避免了铝液飞溅对硅碳棒造成的损害。

2)向混合炉内添加固体冷料时，先用钢丝绳对固体冷料进行捆绑，然后在天车吊运下将固体冷料慢慢平稳地沉入熔池内，也可有效防止固体冷料添加过程中铝液的飞溅对硅碳棒造成的损害。

3.4 减小硅碳棒因长期受热而产生的变形量

为了减小硅碳棒因长期受热而产生的变形下垂，在混合炉炉盖上硅碳棒安装位置的中心点，对每一支硅碳棒加装一个由耐火材料烧制而成的支撑架，其有与硅碳棒安装孔形状和直径相同的圆孔，用来对硅碳棒进行支撑，可有效防止硅碳棒因受热和其自重所产生的变形下垂而产生的损坏。

3.5 减少硅碳棒与空气的反应

由于硅碳棒与氧气和水蒸气的反应会造成硅碳棒的氧化，因此，减小硅碳棒与氧气和水蒸气的接触可有效降低硅碳棒的氧化。然而，在实际生产中，由于混合炉是在大气环境中工作运行，不可能做到与氧气和水蒸气不接触，只能通过以下操作手段减少硅碳棒与空气的接触。

1)对于保存环境湿度较大(如南方地区)且时间比较长的情况，硅碳棒在安装前，应对其进行干燥，以消除硅碳棒表面毛细小孔中所吸附的水分，避免因硅碳棒表面水分的存在而造成的硅碳棒使用过程中的崩裂问题。

2)由于向混合炉中添加的固体冷料(重熔铝锭废品)通常都是因表面质量或厚薄不一致造成的，其在铸造生产线上都经过了冷却运输机(水冷处理)，其表面氧化物中都吸附了大量水分[5]。如果将这样的固体冷料直接加入混合炉熔池内的铝液中，不仅导致铝液与水之间发生剧烈反应，造成铝液飞溅甚至爆炸；而且会有大量水分子遇热汽化形成水蒸气，并与硅碳棒发生反应，造成硅碳棒的氧化消耗。因此，固体冷料在加入混合炉前必须进行预热，使其温度达到150～200 ℃，在表面吸附水消失后方可加入炉内。

3.6 加强硅碳棒的检修操作

硅碳棒随混合炉运行一段时间后，必须对硅碳棒进行检查检修。

1)检查硅碳棒两端接线白钢卡子与硅碳棒的接触是否良好。如果二者之间接触不好，在通电运行过程中会因为接触不良而产生打火现象，造成硅碳棒两端接线部位损坏，甚至报废，因此，必须对所发现的紧固螺栓松动情况及时进行处理。

2)及时而仔细地清理加料过程中所产生的硅碳棒表面粘附铝，消除硅碳棒局部表面负荷过大问题。

3)认真仔细操作，提高检修操作质量，防止检修过程中因检修工具与硅碳棒发生碰撞而导致的硅碳棒损坏。

4 实施效果

上述措施实施后，某铝电解厂40 t铝用混合炉硅碳棒的损坏量大幅下降。据统计，2015年铸造车间4台40 t电热混合炉共损坏硅碳棒350支，2016年硅碳棒的损坏量下降至120只，损坏量下降了65.7%。以每支硅碳棒1 200元计算，年节约资金约27.6万元。