专利名称：：可提高使用寿命和热效率的铝熔炼炉的制作方法
技术领域：
：本发明涉及工业炉耐火炉衬技术，具体说是涉及一种可提高使用寿命和热效率的铝熔炼炉。
背景技术：
：铝熔炼炉泛指各种用于原铝铸造、铝基合金熔炼及固体铝熔化等的热工炉窑设备，主要包括各种容量的混合炉、静置炉、保温炉、熔化炉等。目前国内铝熔炼炉炉衬多数由耐火砖和硅藻土保温砖砌筑而成。但这种炉衬结构具有以下缺点①使用泥浆砌筑耐火砖，砖缝的存在极大地影响了炉衬的整体性和气密性。在熔炼炉投入使用后，高温下耐火砖和耐火泥浆产生不一致的永久线收縮，导致砖缝加大，使铝熔液渗入砖缝和炉衬挂渣。渗铝严重时，熔池部分的衬体、保温层甚至炉壳被熔蚀破坏，炉体钢板外撑变形严重，炉底砖上抬漂浮。由于砖缝扩大，渗入的铝与炉内的炉渣连体，既使炉膛的有效容积减小，又造成了熔炼过程中清炉的困难，影响作业进程和生产量。②炉顶采用异形砖砌筑，形状复杂，制作周期长，施工难度大，实际使用中经常出现部分掉砖现象；在需局部维修时必须将炉顶大面积扒开才能更换异形砖，修补难度大，材料浪费大。③砖砌炉顶使用一段时间后会发生错位下沉的现象，极大影响炉顶设置的发热元件的使用寿命，增加发热元件的损耗。④耐火粘土砖抗铝液侵蚀能力较差，从大修时取出的粘土砖的外观观察，使用23年后砖表面颜色发黑，并有2030咖的渗透层，表面鳞片状剥裂严重，砖的脆性加大。⑤耐火粘土砖的导热系数较高，炉体热损失较大。上述问题的存在使铝熔炼炉的使用处于较低水平，炉衬寿命短，炉体热损失大。实际的使用情况统计，一般砖砌结构炉衬的熔炼炉使用23年后就必须大修。随着铝合金品种的增加，熔炼炉炉内成分、气氛的日趋复杂，对炉衬的要求越来越高，要克服砖砌内衬的性能缺陷，提高熔炼炉炉衬寿命，提高炉体的热效率，必须采用新的内衬工艺。
发明内容本发明正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种可提高使用寿命和热效率的铝熔炼炉。以解决传统砖砌炉衬渗铝、挂渣、炉顶掉砖以及炉衬耐火材料不耐侵蚀、炉体热损失较大的问题，从而使铝熔炼炉炉衬寿命和热效率得到大幅度提高。本发明的目的可采用下述技术措施来实现由于熔化的铝液具有极强的渗透能力，解决内衬渗铝问题最根本的办法就是消除内衬上的各种接缝，因此采用整体浇注内衬是最行之有效的方案。具体讲，本发明的铝熔炼炉包括外壳体，以及覆着在外壳体内壁上的炉衬层，所述的炉衬层中的工作层——即炉底、炉墙、炉顶的工作层均采用耐火浇注料整体浇注施工构筑；其中本发明中所述的炉底部分的炉衬层具体结构如下由于炉底工作层长期受铝液浸泡，虽不接触炉渣和炉内气氛，但要有效对抗铝液的侵蚀和渗透，因此在实施整体浇注时，按常规的耐火浇注料施工工艺一次浇注完成即可，不留设任何施工接缝，在材料性能满足要求的时候可以保证炉底无铝液渗透，提高保温效果；本发明中所述的炉顶部分的炉衬层具体结构如下为避免掉砖损坏加热元件，加大炉体的热损失，炉顶工作层采用锚固砖吊挂配合整体浇注的结构。使用吊挂砖的目的是为了加大炉顶的结构稳定，提高整体强度，避免炉顶下沉。由于发热元件设置在炉顶部位，因此采用平顶结构加大炉顶下压，以及在炉顶浇注体上铺贴一层15-30mm的耐火陶瓷纤维增强保温，以提高加热效率。吊挂砖材质根据所使用的内衬耐火浇注料的材质进行选择，通常可以使用高铝质材质。炉顶整体浇注时材料中无须留设膨胀缝，而将膨胀缝沿炉壳四周留设，可保证炉衬的整体性。本发明中所述的炉墙部分的炉衬层具体结构如下这是熔炼炉炉衬中最关键的部位，其上部接触炉内气氛和炉渣，下部受铝液浸泡。所以炉墙在采用平直式整体浇注工作层的同时对其结构形式也做了必要的调整，采用复合炉墙结构。复合炉墙结构由耐火陶瓷纤维+轻质隔热浇注料(或轻质隔热耐火砖)+耐火浇注料构成，其目的为①加强炉墙的保温，提高熔炼炉的热效率；②耐火浇注料内衬施工不能留设膨胀缝，所以利用耐火陶瓷纤维的可压縮性来吸收高温下炉墙材料发生的膨胀，增强炉衬的稳定性，避免发生结构性损坏;③可以减薄炉衬，节约材料使用，提高熔炼炉的有效容积。所述轻质隔热浇注料可采用高铝质或粘土质材料。整体浇注内衬的构筑均采用常规的耐火浇注料的施工工艺，但每个部位均应一次施工完成，不留设膨胀缝；不同部位的施工接缝采用预留槎口、刮毛己施工表面等方式减至最小。本发明中所述的复合炉墙结构的具体结构方式如下包括直接与外壳体内壁相结合的由耐火陶瓷纤维材料构成的内夹层、由耐火浇注料构成的外部工作层、以及位于内夹层和外部工作层之间的采用轻质隔热浇注料或轻质隔热耐火砖构成的中间夹层。由于铝熔炼炉主要用于电解原铝、各种铝基合金的配料、精炼、铸造以及固态铝的熔化。熔炼过程中铝液熔体的成分除金属铝外，还有FeA、Si02、A1C13、Ti、Mg等，总体呈现中性偏酸。从耐火材料与熔体可能发生的反应来分析，耐火材料中的八1203几乎不与熔体发生反应，而材料中的Si02、Fe203等其它成分却可以被铝还原(2A1+Fe203—2Fe+Al203，4Al+3Si02—3Si+2Al203)，使衬体材料发生侵蚀剥落，同时还向铝液中增加Si、Fe等杂质成分。因此在选择熔炼炉炉衬材料成分的时候，其中的八1203含量应尽可能高，所以本发明所使用的内衬耐火浇注料材质为高铝质浇注料、莫来石质浇注料或刚玉质浇注料中的任意一种；并且耐火浇注料的导热系数比耐火粘土砖低，在熔炼炉工作温度范围(700850°C)内，高铝质耐火浇注料的导热系数比耐火粘土砖的低0.20.5W/mK，这也为减薄炉衬提供了条件。由于铝液的强渗透性和对许多材料好的润湿性，为提高内衬浇注料的使用有效性，在浇注料中添加非氧化物。非氧化物主要是碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)或塞隆Sialon)中的任意一种或其组合，其添加量为耐火浇注料重量的115%(应根据铝熔炼炉的大小和熔炼工艺确定非氧化物的使用量)。使用非氧化物主要基于以下考虑①非氧化物具有抗高温、抗侵蚀、良好的热震稳定性和保护性氧化等性能，是制造高性能耐火材料的重要原料；②非氧化物与熔体的润湿性差，可降低铝液的侵蚀和减缓铝液的渗透，同时减少铝液和炉渣在炉衬表面的附着；③非氧化物保护性氧化可以在材料表面形成致密的高黏度釉层，从而在材料与熔体之间形成保护膜，阻挡熔体侵入材料内部；④非氧化物可以提高浇注料的热震稳定性，避免材料在反复的热冲击下形成裂纹；⑤可以稳定浇注料的体积变化，避免材料在使用中产生收縮裂纹；⑥非氧化物对浇注料的高温性能有显著的增强效果；⑦非氧化物还能提高材料黑度，加大炉衬的热辐射能力，提高炉衬的节能效果。本发明的有益效果如下由上述技术方案可见，由于采用了全浇注炉衬(工作层)，使得铝熔炼炉炉衬无接缝、表面光滑、整体强度高、气密性好，在使用过程中结构稳定，并能大大降低散热损失，提高热效率；其中，炉顶的吊挂浇注炉衬结构强度高，在使用中不下沉、无错台、不损伤发热元件；复合炉墙结构能有效吸收炉衬的膨胀，避免因炉衬施工工艺原因导致的渗铝和结构性破坏；加之在炉衬工作层浇注料中非氧化物的添加使用，使材料在熔炼工作状态下不收縮、不开裂、不渗铝、不易挂渣、不受铝合金熔体侵蚀、热震稳定性高，使用寿命能比传统的砖结构寿命提高3倍以上；同时非氧化物还能提高材料黑度，加大炉衬的热辐射能力，提高炉衬的节能效果，从而整体提高烙炼炉的运行效率，可使炉衬的使用寿命大幅度提高，使用寿命预计可达610年。附图为本发明的结构示意图。图中序号l锚固砖拉杆固定螺栓，2炉体固定钢架，3锚固砖拉杆，4锚固砖，5炉顶保温层，6炉顶工作层(炉顶浇注料工作层)，7外壳体，8炉顶浇注料与外壳体间的膨胀缝，内填装陶瓷纤维，9由耐火陶瓷纤维材料构成的内夹层，IO采用轻质隔热浇注料或轻质隔热耐火砖构成的中间夹层，11耐火浇注料构成的外部工作层(炉壁浇注料工作层)，12炉底工作层(炉底浇注料工作层)，13底部保温层。具体实施例方式本发明以下将结合实施例作进一步描述，但并不限制本发明。本发明的可提高使用寿命和热效率的铝熔炼炉包括外壳体7，以及覆着在外壳体内壁上的炉衬层；其中，炉衬层中的工作层——即炉底、炉墙、炉顶的工作层均采用耐火浇注料整体浇注施工构筑。具体讲本发明中所述的炉底部分的炉衬层具体结构如下由于炉底工作层12长期受铝液浸泡，虽不接触炉渣和炉内气氛，但要有效对抗铝液的侵蚀和渗透，因此在实施整体浇注时，按常规的耐火浇注料施工工艺一次浇注完成即可，不留设任何施工接缝，在材料性能满足要求的时候可以保证炉底无铝液渗透，提高保温效果，本发明在由耐火浇注料整体浇注施工构筑而成的炉底工作层外包覆有底部保温层13。本发明中所述的炉顶部分的炉衬层具体结构如下为避免掉砖损坏加热元件，加大炉体的热损失，炉顶工作层6采用锚固砖4吊挂配合的整体浇注的内衬结构，所述锚固砖4的吊挂通过与炉体固定钢架2相结合的锚固砖拉杆3来实现；使用吊挂砖的目的是为了加大炉顶的结构稳定，提高整体强度，避免炉顶下沉；由于发热元件设置在炉顶部位，因此采用平顶结构加大炉顶下压，以及在炉顶浇注体——炉顶工作层6上铺贴一层15-30mm的耐火陶瓷纤维增强保温层5，以提高加热效率；吊挂砖材质根据所使用的内衬耐火浇注料的材质进行选择，通常可以使用高铝质材质；炉顶整体浇注时材料中无须留设膨胀缝，而将膨胀缝沿炉壳四周留设，可保证炉衬的整体性。本发明中所述的炉墙部分的炉衬层具体结构如下炉墙是熔炼炉炉衬中最关键的部位，其上部接触炉内气氛和炉渣，下部受铝液浸泡，所以炉墙在采用平直式整体浇注工作层的同时对其结构形式也做了必要的调整，采用复合炉墙结构；所述的复合炉墙结构的具体结构方式如下包括直接与外壳体内壁相结合的由耐火陶瓷纤维材料构成的内夹层9、由耐火浇注料构成的外部工作层11、以及位于内夹层和外部工作层之间的采用轻质隔热浇注料或轻质隔热耐火砖构成的中间夹层10，其目的为①加强炉墙的保温，提高熔炼炉的热效率；②耐火浇注料内衬施工不能留设膨胀缝，所以利用耐火陶瓷纤维的可压縮性来吸收高温下炉墙材料发生的膨胀，增强炉衬的稳定性，避免发生结构性损坏；③可以减薄炉衬，节约材料使用，提高熔炼炉的有效容积。整体浇注内衬的构筑均采用常规的耐火浇注料的施工工艺，但每个部位均应一次施工完成，不留设膨胀缝；不同部位的施工接缝采用预留槎口、刮毛已施工表面等方式减至最小。由于铝熔炼炉主要用于电解原铝、各种铝基合金的配料、精炼、铸造以及固态铝的熔化。熔炼过程中铝液熔体的成分除金属铝外，还有Fe203、Si02、A1C13、Ti、Mg等，总体呈现中性偏酸。从耐火材料与熔体可能发生的反应来分析，耐火材料中的A:U03几乎不与熔体发生反应，而材料中的Si02、Fe203等其它成分却可以被铝还原(2A1+Fe203—2Fe+Al203，4Al+3Si02—3Si+2Al203)，使衬体材料发生侵蚀剥落，同时还向铝液中增加Si、Fe等杂质成分。因此在选择熔炼炉炉衬材料成分的时候，其中的A:U03含量应尽可能高，所以本发明所使用的内衬耐火浇注料材质为高铝质浇注料、莫来石质浇注料或刚玉质浇注料中的任意一种；并且耐火浇注料的导热系数比耐火粘土砖低，在熔炼炉工作温度范围(700850°C)内，高铝质耐火浇注料的导热系数比耐火粘土砖的低0.20.5W/mK，这也为减薄炉衬提供了条件。由于铝液的强渗透性和对许多材料好的润湿性，为提高内衬浇注料的使用有效性，在浇注料中添加非氧化物。非氧化物主要是碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)或塞隆(e-Sialon)中的任意一种或其组合，其添加量为耐火浇注料重量的115%(应根据铝熔炼炉的大小和熔炼工艺确定非氧化物的使用量)。使用非氧化物主要基于以下考虑①非氧化物具有抗高温、抗侵蚀、良好的热震稳定性和保护性氧化等性能，是制造高性能耐火材料的重要原料；②非氧化物与熔体的润湿性差，可降低铝液的侵蚀和减缓铝液的渗透，同时减少铝液和炉渣在炉衬表面的附着；③非氧化物保护性氧化可以在材料表面形成致密的高黏度釉层，从而在材料与熔体之间形成保护膜，阻挡熔体侵入材料内部；④非氧化物可以提高浇注料的热震稳定性，避免材料在反复的热冲击下形成裂纹；⑤可以稳定浇注料的体积变化，避免材料在使用中产生收縮裂纹；⑥非氧化物对浇注料的高温性能有显著的增强效果；⑦非氧化物还能提高材料黑度，加大炉衬的热辐射能力，提高炉衬的节能效果。本发明以下再结合具体实施例作以描述实施例1(15t铝熔炼炉)a、选择使用添加了SiC的高铝质耐火浇注料作为炉衬的工作层(也可称为浇注料工作层)；SiC的添加量为耐火浇注料重量的10%;b、炉壳表面温度小于30°C，确定炉墙复合炉衬的尺寸为耐火陶瓷纤维+粘土质轻质隔热耐火砖+耐火浇注料20mm+114mm+230mm，炉墙内衬厚度较原耐火砖衬减薄115mm;c、炉顶采用平顶吊挂式整体浇注，浇注料上铺贴一层20mm厚耐火纤维，将发热元件从原来使用昂贵的镍铬带改为使用硅碳棒；d、严格按不定形耐火材料施工工艺进行施工、养护和烘烤。e、投入使用后，检测综合炉衬技术应用效果表明炉衬保温性能良好，较原砖砌炉衬降低电耗30%;炉顶强度高，未发现如何变形和裂纹；改换发热元件后按其消耗成本计算降低50%。耐火浇注料成分性能见表l。表1添加非氧化物SiC的高铝质耐火浇注料实测性能指标<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>实施例2(25t铝熔炼炉)a、选择使用添加了Si3N4+P-Sialon的刚玉质耐火浇注料作为炉衬的工作层(也可称为浇注料工作层)；Si3N4、卩-Sialon的添加量分别为耐火浇注料重量的5%(Si3N4)3%((3-Sialon);b、炉壳表面温度小于30°C，确定炉墙复合炉衬的尺寸为耐火陶瓷纤维+粘土质轻质隔热耐火砖+耐火浇注料-40mm+180mm+230mm，炉墙内衬厚度较原耐火砖衬减薄65mm;c、炉顶采用平顶吊挂式整体浇注，浇注料上铺贴一层40mm厚耐火纤维，发热元件改为使用硅碳棒；d、严格按不定形耐火材料施工工艺进行施工、养护和烘烤。e、投入使用后，根据对铝熔炼炉炉衬综合使用效果考察表明整体炉衬保温性能良好；炉衬内壁仍然光滑、无挂渣现象；炉顶平整，未发现变形和裂纹。经测算，在熔炼炉使用周期内可减少能耗、加热元件、炉子维护等开支100万元以上。根据对炉衬表面状态及损耗速度计算，使用年限可达八年以上。耐火浇注料成分性能见表2。表2添加非氧化物Si3N4+P-Siakm的刚玉质耐火浇注料实测性能指标性能指标化学成分%A120389.7Si3N4+[3-Sialon7.85体积密度g/cm33.17耐压强度MPa80抗折强度MPa25烧后线变化率%+0.15实施例3(45t铝熔炼炉)a、选择使用添加了Si3N4的莫来石质耐火浇注料作为炉衬的工作层(也可称为浇注料工作层)；Si3N4的添加量分别为耐火浇注料重量的6%;b、炉壳表面温度小于30°C，确定炉墙复合炉衬的尺寸为耐火陶瓷纤维+粘土质轻质隔热耐火砖+耐火浇注料二40mm+180mm+230mm，炉墙内衬厚度较原耐火砖衬减薄65mm;c、炉顶采用平顶吊挂式整体浇注，浇注料上铺贴一层40mm厚耐火纤维，发热元件改为使用硅碳棒；d、严格按不定形耐火材料施工工艺进行施工、养护和烘烤。e、投入使用后，根据对铝熔炼炉炉衬综合使用效果考察表明整体炉衬保温性能良好；炉衬内壁仍然光滑、无挂渣现象；炉顶平整，未发现变形和裂纹。耐火浇注料成分性能见表3。表3添加非氧化物Si3N4的莫来石质耐火浇注料实测性能指标<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1、一种可提高使用寿命和热效率的铝熔炼炉，它包括外壳体，以及覆着在外壳体内壁上的炉衬层，其特征在于炉衬层中的工作层——即炉底、炉墙、炉顶的工作层均采用耐火浇注料整体浇注施工构筑；其中，其炉顶部分为平顶结构，并采用锚固砖吊挂的整体浇注结构，其炉墙采用平直立面结构的复合炉墙结构。2、根据权利要求l所述的铝熔炼炉，其特征在于所述的复合炉墙结构包括直接与外壳体内壁相结合的由耐火陶瓷纤维材料构成的内夹层、由耐火浇注料构成的外部工作层、以及位于内夹层和外部工作层之间的采用轻质隔热浇注料或轻质隔热耐火砖构成的中间夹层。3、根据权利耍求1或2所述的铝熔炼炉，其特征在于所述的耐火浇注料为高铝质浇注料、莫来石质浇注料或刚玉质浇注料中的任意一种；且在所述的耐火浇注料中添加有碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)或塞隆(e-Sialon)中的任意一种或其组合，其添加量为耐火浇注料重量的115%。全文摘要一种可提高使用寿命和热效率的铝熔炼炉，它包括外壳体，以及覆着在外壳体内壁上的炉衬层，其特征在于炉衬层中的工作层——即炉底、炉墙、炉顶的工作层均采用耐火浇注料整体浇注施工构筑；其中，其炉顶部分为平顶结构，并采用锚固砖吊挂的整体浇注结构，其炉墙采用平直立面结构的复合炉墙结构。由于是全浇注炉衬，铝熔炼炉炉衬无接缝、表面光滑、整体强度高、气密性好，在使用过程中结构稳定，并能大大降低散热损失，提高热效率；在炉衬浇注料中使用非氧化物，使材料在熔炼工作状态下不收缩、不开裂、不渗铝、不易挂渣、不受铝合金熔体侵蚀、热震稳定性高，使用寿命能比传统的砖结构寿命提高3倍以上。文档编号F27D1/00GK101413757SQ20081023122公开日2009年4月22日申请日期2008年12月5日优先权日2008年12月5日发明者谢朝晖,赵凌云申请人:巩义市嘉丰耐火材料有限公司