熔炼炉和保温炉是铝合金熔铸生产中最主要的生产设备。首先，要将由电解槽中吸出的高温电解铝液通过真空抬包运送到熔铸车间，然后转注到熔炼炉中，以一定的固液比配料熔炼所需要的铝合金。在熔炼过程中，通过电能或燃气或燃油产生的热量加热炉料。熔化完成后，根据熔炼炉的容积大小，采用人工或机械或电磁搅拌装置对铝合金熔体进行搅拌，使熔体温度和化学成分均匀化。然后通常用含氯精炼剂对铝熔体进行预精炼，取样分析化学成分，合格后转入保温炉中进行炉内精炼，除渣、除气和除碱金属，并再次取样分析，确认化学成分符合配要求后，进行DC半连续扁锭铸造或铝合金铸轧生产。铝合金熔铸生产的基本工艺流程如图1所示。
图1 铝合金熔铸生产的基本工艺流程
Figure 1 The basic technological flow of aluminium alloy melting and casting
以容量为25t的熔炼/保温炉组为例，纵观整个铝合金熔铸生产过程，在铝合金扁锭DC铸造中，铝合金熔体在熔炼炉/保温炉中的总停留时间要超过12小时;在铝合金铸轧生产中，铝合金熔体在熔炼炉/保温炉中的总停留时间则要超过25小时。由此可以看出，熔炼炉和保温炉对于铝合金熔铸生产的重要性。
2 影响铝合金熔炼炉/保温炉耐火材料寿命的因素分析
影响铝合金熔炼炉/保温炉内衬寿命的因素比较多，主要有耐火材料质量、筑炉质量、装炉和清炉操作、铝液对耐火材料的侵蚀、铝液中碱金属和碱土金属Na、K、Mg等对耐火材料的侵蚀以及耐火材料磨损等。
2.1 耐火材料质量
目前，国内大多数熔铝炉/保温炉内衬以高铝砖为主要熔池材料[1]。在熔铝炉筑炉时，有的熔铸厂采用包工包料的交钥匙工程，有的则采用由熔铸厂提供筑炉材料，由施工方负责筑炉操作。前者为保证熔炼炉/保温炉使用寿命，可以采购高品质的筑炉材料，然而，如果采用后一种方式，施工方为了降低逐鹿成本、获取更大的利润空间，很可能采购不符合筑炉要求的筑炉材料，再加之如果熔铸厂方对筑炉材料质量监督不力，就会将不合格的耐火材料用于熔炼炉/保温炉。不合格的耐火材料必然导致熔/保炉使用寿命的缩短。
2.2 筑炉质量
在耐火材料质量得到保证的前提下，筑炉质量对于熔/保炉内衬寿命有着重要的影响。如若浇注料加水量过大、砌筑砖缝过大或灰浆饱和度等控制不当，在烘炉过程中就会导致炉衬开裂，或在铝合金熔炼过程中导致炉衬漏铝，从而缩短炉衬使用寿命。
2.3装炉和清炉操作
在铝合金熔炼时，要将部分固体料(重熔铝锭、工艺废料和中间合金锭)加入到熔炼炉中。然而，无论是用加料车投料还是人工投料，固体炉料都不可避免地要与炉衬耐火材料发生碰撞，长期的碰撞必然会造成炉衬材料的损伤[2]，从而影响炉衬耐火材料的使用寿命;
当熔炼炉运行一段时间后，炉底和炉墙上必定要粘附许多炉渣和其他杂质，使熔池有效容量减小。为了保证铝合金熔炼效率，必须对熔池进行清理。目前对熔炼炉/保温炉的清理主要依靠人工清理。人工清理时，停炉后必须降温至环境温度，然而，清理温度过低时，以三氧化二铝为主要成分的炉渣与耐火材料粘附力很大，要么清理不下来，要么在除掉炉渣的同时，连同局部炉衬材料一起被清理下来，从而导致由于清理工作对炉衬耐火材料造成损坏，进而影响内衬材料的使用寿命。
2.4 铝液对耐火材料内衬的侵蚀
虽然反射炉使用温度为800～1000℃，远比钢铁行业使用温度低得多，但由于铝是很活泼的金属，在750℃的熔炼温度下，铝的粘度为0.104Pa.S，与20℃时水的粘度(0.10Pa.s)相当接近，因此金属铝及铝合金的流动性极好，容易向炉衬内部渗透[3]。当铝液渗入内或材料后，即与内或材料中的SiO2、Fe2O3等氧化物发生还原反应，造成耐火材料的损毁，同时反应生成的Si和Fe也对铝熔体造成了污染[4]：
Al + 3/2SiO2 →Al2O3 + Si
Al + Fe2O3 → Al2O3 + Fe
2.5 铝合金中合金元素对耐火材料的侵蚀
熔炼/保温炉砌筑完成后，由于烘炉过程中耐火材料中吸附水、结晶水和化学水的逸出，从而使得在耐火材料表面形成许多微观通道[5]。在众多铝合金中，Mg、Mn、Zn等元素也很活泼，在很容易与耐火材料中的一些成分反应，尤其是Mg，有很高的蒸汽压，其蒸汽压比铝液更容易沿着微观通道渗入耐火材料，还原耐火材料中的Al2O3、SiO2和Fe2O3：
3Mg + Al2O3 → 3MgO + 2Al
2Mg(气) + SiO2 → 2MgO +Si
Mg(气)+ Fe2O3 → 3MgO +2Fe
由此可以看出，在熔炼Al-Mg系合金合金时，对炉衬的侵蚀也是很严重的。
2.6 碱金属对耐火材料的侵蚀
在铝合金熔炼过程中，主要炉料是电解铝液和重熔铝锭。据报道[6]，在重熔铝锭中，Na含量约为30ppm，电解铝液中的Na含量比重熔铝锭高一些，通常在40～50ppm。此外，通常使用的精炼剂、覆盖剂和清渣剂的主要成分为NaCl和KCl，也是Na和K的重要来源。铝合金熔体中的Na和K对耐火材料的寿命有着重要的影响。由于Na和K的沸点极低，分别仅为882.9℃和760℃。而铝合金熔炼和保温精炼期间，炉膛温度高达800～1000℃[3]，最高可达1200℃[7]，在这个温度范围，溶解于合金熔体中的碱金属钠和钾部分蒸发，形成钾、钠蒸汽。这样，在以天然气为燃料的反射熔炼炉内，就会存在许多CO2(气)、CO(气)、Na(气)和K(气)，这些气体和蒸汽通过耐火材料开口气孔向耐火材料内部渗透，并与耐火材料组织发生反应，产生新的膨胀相如钾霞石(含钾)和霞石(含钠)，两者均会对耐火材料结构造成损害[7]，从而加速熔铝炉耐火材料内衬的失效。
2Na2(气) + 2/3(Al2O3.SiO2)(气)+ 8/3SiO2(液)+CO(气)
→ 2(Na2O.Al2O3.4SiO2)(固)+ C(固)
2K2(气)+2/3(Al2O3.SiO2)(气)+ 8/3SiO2(液)+CO(气)
→ 2(K2O.Al2O3.4SiO2)(固)+ C(固)
此外，Na、K、Si等进入铝液中，会降低铝熔体的熔点与粘度，增加其流动性，从而增加铝液对耐火材料的侵润性和渗透性，加速耐火材料的失效[14]。
3 延长熔炼炉/保温炉耐火材料内衬使用寿命的几点措施
3.1 筑炉材料的选择
正确选择筑炉用耐火材料，对于延长熔炼炉/保温炉内衬寿命非常重要。要选择Al2O3含量高的耐火材料[8,14]和那些在使用过程中不产生游离SO2的耐火材料[9]，并且材料中的杂质如Fe2O3、Ti2O3和Na2O、K2O等的含量要尽可能低，尽量减少铝合金熔炼过程中铝对Fe2O3、Ti2O3和SiO2的还原以及膨胀相钾霞石和霞石的生成;要选用水泥含量低的炉衬耐火材料[10]，减小耐火材料内衬在工作过程中的线收缩，改善炉衬材料的抗热震性能，避免炉衬材料因热冲击产生裂纹而漏铝。
3.2 采用正确的施工工艺
在熔炼炉/保温炉砌筑过程中，所采用的施工工艺必须的当。要严格控制砖缝、灰浆饱和度、浇注料加水量、搅拌时间等技术参数，避免由于筑炉工艺不当造成砖缝过大导致炉子运行过程中砖缝铝液渗漏而影响炉衬使用寿命。
3.3 选择正确的烘炉工艺
烘炉工艺的正确与否，对于耐火材料的使用寿命至关重要。在烘炉过程中，要控制好烘炉初期的预热时间和升温速度，设置必要的保温时间，使热量有足够的时间向炉衬内部扩散，保持炉衬温度的均匀性，将炉衬内的温度梯度以及由温度梯度产生的应力减小到最低，防止因应力集中产生炉衬开裂[15]。
3.3 采用先进的筑炉工艺
由于传统的砖砌筑炉工艺存在砖缝多、整体性差和强度差的问题，在使用过程中，很容易因炉门(炉盖)频繁开合产生的急冷急热以及操作过程中产生的碰撞，致使炉子一些部位极易损坏，在熔铝炉关键部位使用高强度低水泥含量的浇注料，采用整体浇注一次成型工艺进行炉衬砌筑浇注，使炉衬关键部位的强度得到提高和改善，可大幅度提高熔炼炉/保温炉的整体使用寿命[11]。
3.4 仔细认真地进行熔炼炉/保温炉操作，无论是人工加料还是采用加料车加料，都应尽量避免装炉时固体炉料或加料机械对炉底和炉墙部位耐火材料的碰撞和冲击。
3.4 改变传统的清炉方法
将目前普遍采用的人工作业冷清炉改为采用清炉车的热清炉。因为在冷态，粘附在炉底和炉墙上的各种杂质、炉渣和刚玉瘤与耐火材料内衬结合的特别紧密，如果强行进行清理，必然会对耐火材料内衬造成严重损害。而在热态时，由于炉膛内环境温度很高，粘附在陆地和炉墙上的杂质、炉渣和刚玉瘤具有很大的弹性和塑性，此时进行清理可以利用其热态变形性，在很大程度上减小对内衬耐火材料的损伤。
4 关于熔铝炉用耐火材料生产的建议
4.1 通过在耐火材料基质中加入适当的SiO2和Al2O3微粉，改善炉衬耐火材料的气孔结构，使其在高温下易于形成烧结物，促进浇注料的烧结，改善浇注料的使用性能，即在兼顾烧结体积密度、耐压强度、抗折强度的前提下，获得显气孔率最低的熔铝炉用低水泥浇注料，从而大幅度改善对铝液的防渗效果[12]。
4.2 在筑炉用浇注料中加入3%的适当粒度的硫酸钡作为反润湿剂，不但可获得常温物理性能较好，而且具有良好抗铝液渗透性能的熔铝炉用防渗浇注料[13]。
4.3 在耐火材料工作表面涂上或在耐火材料中加入与铝液不润湿的耐火组元，如石墨、炭、碳化物、氮化物、Sialon、9Al2O3.2B2O3、Al2O3.TiO2、BaSO4等不被铝或镁还原的物质，改善耐火材料对铝液的抗润湿性，减少或阻止铝熔体渗入耐火材料[14]。
总之，生产熔铝炉用耐火材料时，具有微细气孔和添加抗铝液润湿剂的耐火材料能够有效抑制铝液渗透和反应。因此，控制微细气孔和显气孔率，并且选用优良的抗润湿剂是开发生产高品质熔铝炉用耐火材料的关键所在[16]。
5 结语
熔炼炉/保温炉耐火材料使用寿命，对于以较低的单位成本生产高品质铝合金熔铸产品十分重要。影响炉衬耐火材料使用寿命的因素很复杂，筑炉材料、砌筑工艺、烘炉制度、合金品种、日常操作、清炉方式以及日常维护等对耐火材料内衬寿命都有重要的影响。因此，延长熔炼炉/保温炉耐火材料内衬寿命是一项综合工程。只有充分了解和认识每一个因素对耐火材料寿命的影响程度，并且确实抓好熔炼炉/保温炉生命周期中的每一个关键节点，才能以最低的炉子使用成本创造出更大的经济效益，最大程度低发挥出熔炼炉/保温炉的效能。
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编辑：中冶有色技术网
来源：青海桥头铝电股份有限公司技术中心
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