摘要：鋁熔融爐澆注耐火內襯時，如果采用整體澆注的方式，在烘烤過程中，由于材料的收縮作用，爐底和爐壁會出現大量細小裂紋。如果裂紋尺寸太大，則會導致爐底漏鋁。本文主要介紹我公司發明的一種用耐火預制塊砌筑的熔鋁爐熔池工作層，采用多個預制塊整體安裝，然后澆注預留縫，簡單烘烤后即可投入使用。目前這兩種技術在很多熔鋁爐中使用，取得了很好的效果。
關鍵詞：鋁工業爐，澆注，預制塊，預制熔池
1技術背景
隨著鋁工業技術的發展，鋁熔融爐和保溫爐工作層所用耐火材料，已經由低水泥結合的耐火澆注料全面取代了由磷酸鹽結合的高鋁磚。為提高鋁爐使用壽命，要求耐材具有高強度、高耐磨、不沾鋁等特性，而目前的耐火澆注料已經能很好地滿足了使用要求。
傳統的耐火磚砌筑熔池，由于耐火磚尺寸較小，熔池的磚縫太多，因此熔池的整體強度不高，進而使用壽命較短。目前的熔鋁爐已普遍采用整體澆注方法砌爐，即熔池工作層采用耐火澆注料整體澆注。該方法的優勢是施工簡便，施工技術要求較低，施工效率較高，而且澆注料熔池整體強度高，使用壽命更長。但由于澆注料在烘干過程中會發生干燥收縮，容易在爐底形成干縮裂縫，如圖1所示。
鋁熔煉過程另外一個難點在于，鋁液極易通過細縫滲漏到爐底，其在高溫下表面張力極低，且導熱性極高，即便很小的滲漏，其前端也能保持融化，進而逐漸滲漏到爐底。當熔爐冷卻后，由于收縮作用，爐底的鋁錠與爐底之間形成空隙，開爐后，快速的鋁滲漏填充了空隙，久而久之，爐底鋁液逐漸增多，導致整個耐材爐底在鋁液中“漂浮起來”。
圖1 材料的干燥收縮裂紋
2 預制熔池工作層技術簡介
針對鋁爐耐材澆注時常出現的裂紋問題，我公司發明一種用耐火預制件和耐火澆注料后澆帶砌筑的熔鋁爐熔池工作層，如示意圖2。預制件是我公司比較成熟的技術，可為用戶提供鋁加工工業爐及設備砌爐所用各種耐火保溫襯里材料，包括各種輕質保溫材料、抗渣侵蝕、不沾鋁、抗機械沖擊材料、各種耐火磚、砌筑泥漿等，根據用戶需要定做各種規格的耐火制件。預制熔池技術，將熔池工作層設計成由若干塊經過600℃以上溫度烘烤的耐火預制塊砌筑，預制塊之間留有寬度不超過100mm寬的縫隙。縫隙用耐火自流澆注料填充形成后澆帶，并且用耐材磚或者小型預制塊（比如長寬均為100mm高度與預制件等厚）加在后澆帶中，將后澆帶分割成長度不超過1000mm長的若干澆注段。從而徹底解決整體澆注熔鋁爐熔池因澆注料干燥收縮裂縫過大造成滲鋁以及烘烤過程中爐底爆裂問題。
圖2 熔池預制件示意圖
預制熔池工作層技術兼備傳統耐火磚砌筑熔池與目前的整體澆注技術的優點，既滿足熔池整體強度較高，又能保證熔池無干燥收縮裂紋。其原理為：將材料的收縮變形分散為多個細縫，利用預制塊的膨脹作用，將細縫抵消，并形成應力擠壓。這樣做的目的，在保證爐底不滲漏的前提下，大大提高了熔池工作壽命。
3 預制熔池工作層技術原理
預制熔池技術，是利用已經烘烤預收縮過的預制塊，減少熔池的總體干燥收縮，并通過在后澆帶中夾入耐火磚或小型預制塊的方式，將不得不形成的后澆帶干燥收縮，分散為若干條不會造成滲漏的細窄縫隙。而且后澆帶尺寸較小，水分擴散距離較短，烘烤過程中不會發生爆裂問題。具體技術原理如下：
（1）預制塊由耐火澆注料澆注制作，并經過600℃以上溫度烘烤，預制塊的干燥收縮已經完成。預制塊被砌筑以后，烘烤過程中，預制塊只會隨著溫度上升發生熱膨脹而不會發生干燥收縮，只有澆注在預制塊之間的后澆帶會發生干燥收縮；
（2）后澆帶雖然發生干燥收縮，但由于后澆帶寬度只有100mm，產生的干燥收縮總量很小，預制塊的熱膨脹會彌合這種細微的收縮量，且熱膨脹會形成壓縮應力。另外，自流澆注料會填充進預制空隙的每一個角落，因此無需復雜的振動操作；
（3）后澆帶長度方向的累計干燥收縮是會較大的，其量級應與整體澆注熔池的耐火澆注料的收縮是等量的。但當后澆帶長度方向被耐火磚或小型預制塊截斷為若干段之后，后澆帶的收縮裂紋被分解為若干條細小縫隙；
（4）由于爐底絕大部分都是已經烘烤過的耐火預制塊，后澆帶的尺寸又比較小，因此烘爐時無需長時間小心謹慎，一般不會造成爐底爆裂問題；
（5）根據爐型及尺寸，經過理論計算，將熔鋁爐工作的等溫曲線控制在工作層之內，合理化布置爐膛內鋁熔體的溫度分布。
以我公司鋁業爐用料RD-80AC為例，在800℃燒制冷卻后，其總收縮線變化率是-0.2%，對于直徑為3000mm的熔池來說，材料理論總收縮長度為3000x0.2%=6mm，也就是說，如果采取整體澆注的話，烘烤至800℃后，如果裂紋集中出現，則爐子烘烤冷卻后可能會出現6mm寬的裂紋。即便采用底部分塊澆注，比如分成3塊，即每塊長度1000mm，先澆注兩端，后澆注中間，則可能將收縮縫分散為2條寬度為3mm的裂紋。考慮到澆注料的熱膨脹系數為3 x 10- 6，鋁的熔點為660℃，則鋁錠開始熔化時，澆注爐底的縫隙寬度可能為（3000 x 3 x 10- 6 x660-3000x0.2%）/2= -0.03mm，依然無法消除滲鋁的風險。
如果采用預制熔池，則不會出現此類問題。
首先，100mm寬的預留后澆帶空間，澆注材料后，寬度方向上的收縮為100x0.2%=0.2mm，此收縮被分解為后澆帶兩側的兩條縫隙，每條縫隙的最大可能寬度為0.1mm。但預制塊會受熱膨脹，寬度800mm的預制塊660℃熱膨脹量大約為800 x 3 x 10- 6x 660=1.584mm（預制件熱膨脹系數大約為3 x 10- 6），從數據上看，預制件的熱膨脹不僅會抵消兩側后澆帶收縮形成的收縮縫，而且還會因為熱膨脹形成整體的壓縮張力，確保不會有縫隙滲漏風險；在后澆帶長度方向上，使用多個小預制塊將3000mm長的預留空間間隔為多個小的空間（比如6個，此時長度為500mm），那么后澆帶長度方向的收縮間隙為500x0.2%=1mm，而且被分段小預制塊分解為2條縫隙，即縫隙寬度為0.5mm。考慮到500mm長后澆帶受熱后的熱膨脹量為500 x 3 x 10- 6x 660=0.99mm，抵消兩端的收縮縫，還有0.01/2=0.005mm縫隙。實際上，截斷后澆帶的小預制件或耐火磚的自身熱膨脹完全抵消了這剩余的細微收縮縫（此處不再詳細計算），從而根本消除滲鋁的情況。
預制熔池技術優點是：第一，由于采用預制塊與澆注料后澆帶砌筑熔池，既發揮了澆注料熔池長壽的優勢，由徹底解決了熔池鋁水滲漏的隱患；第二，由于預制件已經過烘烤脫水，后澆帶尺寸又不大，水分擴散距離短，因此烘爐簡單，不會出現整體澆注熔池烘爐爆裂問題；第三，避免了熔鋁爐由于整體澆注而需要長時間烘烤，大大縮短了澆注周期。
4 工業應用
圖3 我公司生產的砌筑熔池預制塊 
圖4 我公司生產的熔鋁爐拱頂預制件
圖3顯示的是我公司為某廠家生產的砌筑鋁爐熔池預制件，按照廠家爐型、爐況、使用要求等，設計預制塊的形狀、大小、連接方式等。通過圖紙設計出預制塊所需模具，選擇適合廠家的耐火澆注料，澆注成型后，通過一定的溫度升高曲線烘烤預制塊，并另作試塊檢測不同溫度材料線變化率、耐壓強度、耐磨強度等性能。圖4是我公司為某廠家生產的熔鋁爐拱頂預制件，拱頂總長6.8m，總用料120噸，現已安裝使用，使用效果很好。
5 結語
鋁工業爐預制熔池技術，是我公司鋁業耐材方向的一項發明專利，旨在根本消除整體澆注熔鋁爐熔池開裂滲漏問題。從設計、加工、澆注到烘烤，全部由我公司承包服務。這項技術結合了耐火磚砌筑與材料整體澆注的優點，既縮短了廠家澆注熔爐的周期，又大大提高了耐火內襯的工作壽命。另外，我公司在鋁行業方面，從九十年代中期到現在，從原料的燒結、鋁液澆注成錠到鋁加工業，凡是用到不定形耐火材料的容器，我公司的技術都有涉及，而且在某些領域處于領先水平。我公司致力于高效率幫助客戶解決問題，不斷研制出新產品、提出新理念，也力爭不斷推動我國有色產業的發展，做出積極貢獻。
|
”“
”商標獲北京市著名商標稱號。