铝熔炼炉内衬局部修复工艺研究及应用

近年来，铝市场的需求波动受不确定因素变化的影响，为适应市场快节奏的变化，快速启动炉子，提供合格产品，快速停炉，及时维修，保障生产运行。故对炉内衬的修复，特别是快速修复提出更高的要求。为能适应生产需求，检修服务不断的探索，从材料的选择，包括新材料的使用，从施工方法的改进，包括如何缩短施工工期等成为制约铝熔炼炉修复的因素。铝熔炼炉从停炉到大修后进铝液生产，最短周期50d,铝熔炼炉大修的经济成本吨铝5.5万元左右。

不定型耐火材料在炉窑修补应用上，以日本为例，1980年不定型耐火材料占耐火材料总产量的34.8%,2000年达到59.2%,已超过定型制品的产量。近年不定型耐火材料更是应用广泛，占比更高。铝熔炼炉内衬基本结构如图1所示。

图1 铝熔炼炉内衬基本结构

铝熔炼炉破损情况

1.1 内衬破损的形式

1.1.1正常磨损

炉子在生产运行中，反复装入铝液，流出铝液。对铝液升温的同时，炉内衬也随之升温，新的铝液进入炉子，炉内衬将受到降温。铝液中含有酸碱性等物质，炉子在开启关闭、除气等操作以及燃烧等情况下，接触的各类气体等。耐火材料大都是多组元、多项复合体系，在高温过程中会发生化学变化。通过一系列的复杂过程后，炉子的各部位形成不同程度的损坏，当损坏达到一定程度，影响安全生产的持续运行，需实施停炉内衬修复。通常容易磨损的情况：

1)炉门密封，可调节密封装置，耐热铸铁板等，长期使用后，密封容易出现漏气点，火焰伴随气流流出，如果得不到及时修复，漏点愈演愈烈，属燃烧火焰接触损坏;

2)炉门槛，除气或扒渣操作及投料操作，机械磨损。加之门槛处接触外部低温最多，暴露时间最多的部位，热震最大;

3)门柱，上半部分近似门楣，下半部分近似炉门槛;

4)门楣，炉内蒸发或升华的高温气态物质接触，火焰、烟气溢出位置;

5)上炉墙，铝液的飞溅，各类高温气化物的侵蚀;

6)下炉墙及熔池，受铝液的冲刷和杂质的腐蚀，温度变化冲击，物料冲击;

7)渣线，环境最恶劣的地带，铝液表面波浪冲击，碱性杂物附着，各类炉气，温度变化冲击等;

8)炉顶，受燃烧气体的压力冲击及顶部设备的振动冲击等。

1.1.2异常受损

铝熔炼炉异常受损也有很多种，包括机械撞击，生产工艺参数输入失误，反复启停炉导致的早期破损，启停炉温度升降过快导致受损。例如，某车间的一台H号炉在叉车向炉内投料时，门柱浇注体被撞坏，导致炉门关闭后容易漏火，最终停炉抠除重新浇注。

总之，受损是必然现象，无论是外部还是内部原因，在生产运行中应杜绝异常受损，按照生产工艺技术控制，保障炉内衬处于缓慢正常磨损。

1.2 内衬破损的影响因素

1.2.1材料的适宜性较差

铝熔炼炉内衬的设计中，通过工况的信息输入，设计选用的材料在一定程度，一定特殊范围内，是能够满足使用要求的。从设计到生产使用，通过一系列的过程，或多或少存在材料在性能范围的降低。在实际生产中，同样的炉型，同样的工艺，出现的破损却不一样。材料在设计中强调的指标类别，依据国标行标的要求，有时差异性大的材料在个别指标上仅满足下限值，由此带来炉内衬质量的不稳定。某公司25T铝熔炼炉承担着铝加工生产过程中的加料、熔化、升温、扒渣、放铝水转炉等工艺过程。该公司铝熔炼炉的烧嘴下口区域由于材料性能差导致质量问题，破损见图2。

图2 铝熔炉的烧嘴下口区域破损

1.2.2施工工艺的质量隐患

炉内衬施工作业为隐蔽工程施工，存在验收不及时，不严格时，隐藏未知质量隐患。隐蔽工程，就是指后期施工完成，会被隐藏住的施工，只通过外表是无法看出具体情况的。因此，对于隐蔽工程的材料，是需要在施工前确认好，施工完成后是无法检测的，如果使用劣质材料，是极容易出现安全风险的。通常情况下，因各方面影响因素，出现下述质量问题：

1)炉内衬各部位结构未按设计要求使用材料。施工人员责任心不强时，未按设计要求对炉内衬结构匹配使用材料，或者材质相近的材料相互代替;

2)施工过程中，施工人员操作技能不高，砌体和浇注体虽然符合技术规范，但总体要求不高;

3)施工过程中砌体或浇注体的，未达到验收规范要求，或者合格率不高，整体质量偏低;

4)设备配置不高，包括切砖机精度，切割机，搅拌机效率及搅拌机混料效果。

修复方式的判定

停炉后，检查炉体，根据炉内衬损坏部位不同，位置不同使用的筑炉材料有所不同。检查受损程度大小，受损周围区域大小，以及受损深度，从而判定初步抠炉区域大小，通过抠炉情况再次判断影响区域，直至判断抠炉完成。

2.1 内衬受损形式

内衬各部位主要受损形式统计见表1所示。

表1 内衬主要受损形式统计表

2.2 受损程度

炉内衬受损程度，通常看腐蚀程度，损坏的表面区域面积，以及受损深度。在抠炉清除过程中，损坏区域周围的过渡区是否损坏，是否需要抠出等。

修复过程希望工期短，成本低，不影响整体内衬使用寿命，选择局部修复成为优先选择的方式。根据现场受损位置及受损程度，判定采用什么材料，高于或用原使用材料，采用什么施工工艺路线，形成施工技术方案。

影响局部修复的主要因素

3.1 保护性抠炉要求

通常采用小风镐或电镐进行炉内衬破损处抠除，风镐要求冲击频率高，振幅小，对整体炉体冲击小，避免损坏四周炉体，致使修复区域扩大。在破损区域抠除后，检查原体区与修复区结合面的锚固性，清理残渣，使结合表面清洁。

3.2 修补材料的选择

根据炉内衬不同部位选择修补材料，因为不同部位的炉内衬，工况有所不同。另外，分析该破损点破损的原因，应当采取措施，防止破损再次发生，可采取提高修补材料性能，通俗来说采用比原体更好的材料进行修补。

3.3 结构位置的复杂性

在炉内衬的施工修复中，从炉窑的基本结构出发，炉底、炉墙、炉顶等位置，除材料不同，支模方式也不同，浇注难度也不同。尤其炉墙工作面采用不定型耐火材料浇注，整个浇注体可能存在较大或较小截面厚度，将会影响后期的伸缩性、粘结性等。浇注时需设置好浇注口，包括考虑振动棒的插入达到的位置。当浇注区域面积较大时，应当分块浇注，如图3所示。

图3 炉体分块浇注

优化控制措施

4.1 修复区域抠除后检查原体

炉内衬的修复在抠除清理修复区时，采用小风镐，边抠边判断。修复区周围原体的检查及结合面的检查尤为关键，在实践中把握两个控制原则：①抠除修复区后的四周原体的受损程度，不应当出现连续裂纹或闭环裂纹;②原体与新体结合具有较好的锚固性，结合面应当形成不规则，随机的凹凸不平的毛面，甚至有必要时安装锚固钩。

4.2 施工工艺要求的控制

在炉内衬任何部位的施工时，保温和耐火材料采用砌筑方式，按照炉窑施工规范GB50211-20143及该炉子的设计要求进行检查验收。

砖的检查主要是指耐火砖尺寸、外观、熔洞、缺棱、缺角、裂纹、扭曲的现场检查，不包括化学成分、热学性能、力学性能的检查。检查的方法按国家标准GB10326-20014规定的检查方法进行。

采用不定型耐火材料浇注方式，施工现场对不定型耐火材料的检查验收主要看其是否在有效期内。通常不定型浇注料按产品说明书指定水比进行加水搅拌，常用耐火材料的结合方式分为水结合、化学结合、聚合结合和凝聚结合等。某公司使用浇注料采用水结合方式。

当有异议时，可通过抽样到有资质的检定部门做鉴定。例如在某台铝熔炼炉上，该区域采用A公司新开发的不定型耐火材料，理化指标要求与实测值对比见表2。浇注施工时按照材料的使用要求，保证水灰比例，搅拌时间，混合均匀，物料清洁，控制振动力度和时间，添加适当的促凝剂或缓凝剂控制初凝及拆模时间。

表2 不定型耐火材料理化指标要求与实测值对比

从表2可以看出：用于侧墙修补不定型耐火浇注料，送第三方检测的9项理化指标符合要求，可以使用。

4.3 保养及烘炉控制

对于不定型耐火材料修补的炉子，自热保养时间通常不少于24h。烘炉按照炉型制订总体烘炉升温曲线，一般连续烘炉4至10d,结合修复区域的特点，调整烘炉过程中三个阶段排水保温时间及该时间段的温度，保证修复区的粘结性和后期使用的综合性能。

直接采用本身炉上的燃烧系统进行烘烤，根据升温曲线，达到烘烤的目的，值得注意的是点火前，赶尽管路中的空气后方可点火。

应用效果

5.1 修复工期缩短

在铝熔炼炉的修复中，以往粗放的修复方式，拆除面积较大，能小修的搞成中修，能中修的搞成大修，造成施工需要较多时间，难以满足生产的需求，影响生产订单完成。采用高效的局部修复，可实现修复工期缩短，常规30t炉大中修平均30d(大修45d左右，中修16d左右),采取小修需要15d左右，可实现缩短工期10d左右。停炉后，经局部保护性抠除，清理后，修补约3m²,4个班完成，严格按照《工业炉砌筑工程施工及验收规范》的相关标准、要求进行施工、改造，严格过程质量控制8,改造完成并顺利通过验收，改造实施前后外形效果见图4。

图4 铝熔炼炉局部修复效果

5.2 修复质量提高

在使用材料的匹配性上，大量引进新材料、新技术之后，局部修复降低了施工难度，在支模的设计中，把握简单高效、便于拆装的原则。例如在某台铝熔炼炉上，该区域采用新开发的材料，严格按照浇筑施工要求，通过称量加水，控制搅拌时间，振动时间，环境卫生等，确保浇注过程质量隐蔽验收合格率100%。同时，在后期生产中，保证了生产的持续性，并且有利于延长了炉内衬整体使用寿命。

该种修复方式的应用，实现铝熔炼炉内衬的局部修复，经同期比较，铝熔炼炉局部修复逐年减少，由2022年的检修63项减少到2023年44项，降低30.1%,该工艺技术的应用取得一定成效。

结 语

1)采用高效的局部修复，可缩短修复工期10d左右;

2)大量引进新材料、新技术，不仅施工难度降低，且浇注过程质量隐蔽验收合格率可达100%;

3)局部修复技术应用后，修复逐年减少，检修项目同比减少30.1%,可见技术成效性。