摘要：本文總結了進行鋁電解預焙陽極炭塊磷生鐵澆注的施工實踐經驗，詳細介紹了應用中頻感應電爐進行預焙陽極炭塊磷鐵澆注的工藝原理及流程、施工技術要點、施工組織，并對工藝方法的特點及效益進行了分析總結。
　　關鍵詞：中頻感應電爐，磷生鐵澆注，炭塊，鑄鋼爪，坩堝搗制，烘爐燒結，熔煉

　前言
　　應用中頻感應電爐進行預焙陽極炭塊磷鐵澆注的施工方法由本人于1995年在國家重點工程廣西平果鋁一期10萬噸電解鋁工程施工中首創，此工藝方法的實施打破了此前預焙陽極炭塊組裝的生產貫例，開創了由施工方直接承擔掛極塊（預焙陽極鋁電解槽啟動用陽極炭塊）的組裝任務的先例。十多年的生產實踐證明，該方法的實施縮短了預焙陽極鋁電解工程的建設工期，經濟效益和社會效益顯著。
　　
　　一、預焙陽極的結構及主要參數
　　鋁電解槽用預焙陽極的形式很多，但其主要結構由鋁導桿、鋁鋼復合板、鑄鋼爪、陽極炭塊四部份組成。預焙陽級的組裝有兩個關鍵環節，一是用熔化極氬弧焊和交流焊將陽極導桿、鋁鋼復合板、鑄鋼爪進行焊接；二是用高溫磷鐵水注入鑄鋼爪與炭塊之間的間隙，待其冷卻凝固后形成磷鐵環，將金屬陽極與炭塊牢固地連接為一個整體的預焙陽極。以160KA鋁電解槽為例，預焙陽極的有關枝術參數如下：
　　1、陽極電流密度：0.7A/CM²
　　2、陽極面積：S陽=160000/0.7=228571CM²
　　3、每臺槽需陽極炭塊數目：N=228571/154×66=24
　　4、炭塊組成：固定炭粒=（83～84）%；歷清=（16～17）%；灰份＜0.5%
　　5、鋼爪截面積∑S=560CM²
　　6、磷鐵環單重=8Kg
　　7、磷鐵環化學成份：

　　二、工藝原理及流程
　　在一個自制的陽極組裝平臺上進行陽極導桿（鑄鋼爪）和陽極炭塊的組對、找正。然后將中頻感應電熔煉好的高溫磷鐵水用澆包澆注到炭碗與鑄鋼爪之間的間隙中，鐵水凝固后形成磷鐵環，將鑄鋼爪與陽極炭塊牢固地連接在一起。要求磷鐵環具有足夠的機械強度，且無松動現象。
　　
　　(鋁電解槽預焙陽極炭塊磷鐵澆注工藝流程圖)
　　
　　
　　三、施工技術要點
　　1、施工場地的選擇與平面布置
　　陽極炭塊組裝應首選有起重設備和防雨措施的場地，靠近水源、電源、保證運輸道路暢通。也可選擇寬敞平整的露天場地，但要配備起重設備和采取防雨措施。平面布置主要分五個區：原料和成品堆場、澆注平臺、中頻爐、配電室和循環水池，可根據工藝流程的要求因地制宜地進行安排。
　　2、鑄鋼爪的清理
　　鑄鋼爪在與炭塊組對前必須清正，尤其在澆注的120毫米區域內應清除毛刺、夾砂等缺陷，以見到鋼爪表面金屬光澤為宜。
　　3、沾石墨粉
　　鑄鋼爪的澆注區域必須在澆注前沾上石墨粉，以防磷鐵環與鋼爪熔接和便于殘極的脫環處理。
　　4、炭塊清理
　　由于附著在炭塊炭碗內壁上的渣豆和灰塵可以導致澆注后磷鐵環的松動，所以必須在澆注前把炭碗清理干凈。
　　5、炭塊劃線
　　設計要求炭塊底平面與陽極導桿中軸線垂直，兩者的組裝偏移量≤3毫米。為便于拼裝找正，應先在炭塊上以炭碗中心連線為基準，劃好十字線，作為拼裝時吊線找正的基準。
　　6、炭碗與鋼爪組對找正
　　陽極的拼裝必須在澆注平臺上進行，要求導桿中軸線與炭塊底平面垂直，鋼爪與炭碗間的間隙均勻，最小處的間隙不小于10毫米。澆注平臺可根據現場的條件和具體情況設置，要求平整寬敞，與中頻感應電爐保持適當的距離。
　　7、炭碗與鋼爪預熱
　　為防止產生鑄造缺陷，澆注前必須對鋼爪和炭塊的炭碗部分進行預熱，預熱溫度不低于100℃。可自制煤油噴燈來進預熱工作。
　　8、配料
　　目前，尚無國家統一的預焙槽陽極炭塊用磷鐵標準，設計院和各生產廠采用的磷鐵化學成份組成略有差異，一般情況下配料可將磷鐵的化學成份控制在：碳2.5~3.5%；硅2~3%；錳0.6~0.9%；磷0.5~1.4%；硫＜0.2%的范圍內。
　　9、坩堝搗制
　　感應電爐坩堝搗制質量的好壞不僅影響坩堝的壽命，而且影響熔化率和電能消耗。坩堝搗制的質量除了坩堝材料的影響因素外，主要取決于坩堝搗制工藝和烘爐燒結工藝。
　　9.1坩堝模制作
　　由于感應電爐熔煉特有的“集膚現象”，坩堝容量（坩堝直徑）與感應電爐的用電頻率有一定對應關系，所以在制作坩堝模時不宜隨意改變坩堝容量。坩堝模的材質可選用3~5毫米的低碳鋼，坩堝模外表的焊縫和過渡圓角一定要打磨光滑，同時，在坩堝模上鉆一些小孔，以利于在烘爐時排除水蒸汽；孔徑2~3毫米，每孔相隔225毫米，均勻分布。
　　9.2坩堝筑爐步驟
　　第一步，筑爐前的準備工作，包括筑爐材料、筑爐工具、爐子及工作現場清理等。
　　第二步，放正爐體，在爐底用枕木墊實。然后，在感應線圈內壁圍上4~5層玻璃絲布，再在里面鋪2~3層石棉布，盡量攤平鋪均。最后，用脹緊圈把上口石棉布撐緊。
　　第三步，爐底搗筑。用加料斗將坩堝材料加入，每層搗筑厚度40~50毫米，密度要求每立方厘米為2.05~2.25克。爐底打結厚度應高出實際厚度70毫米，然后將上面的30毫米扒掉，再在中央挖一與坩堝模底一致的圓洞，深約20~30毫米，并搗實均勻。
　　第四步，爐襯搗筑。將坩堝模放入爐底的圓洞，位置必須垂直正中。坩堝模放正之后用楔木塊緊固定位，并用壓鐵將坩堝模壓住，以防模子在搗筑過程中偏移或上浮。爐襯的搗筑每次加料高度不超過50毫米，并在搗筑第二層爐料前，應將第一層的表面耙松，然后再加料搗筑。依此類推，逐層搗筑。
　　第五步，爐領搗筑。在離坩堝上口20~25毫米處，換用爐領料搗筑爐領。爐領應筑成一定坡度的喇叭形，然后在表面刷上用水玻璃和耐火材料粉配制的涂料。至此，坩堝搗制完畢。
　　坩堝搗制應注意以下幾點：一是由于石英砂粗細顆粒加料時容易分層，所以必須使用加料斗加料；二是搗筑爐料應一錘壓一錘，搗錘力度均勻，逐層搗實；三是搗制過程必須連續操作，切忌筑筑停停，停停筑筑；四是中途不宜換人操作，只有這樣，才能使爐襯致密，均勻，經燒結后得到理想的工作層。
　　9.3坩堝烘爐燒結
　　坩堝烘爐燒結的原則是：低溫緩慢烘爐，高溫滿爐燒結。
　　坩堝的燒結層是工作層，它直接與金屬液爐渣及大氣接觸，直接承受爐渣及合金元素的高溫侵蝕和急冷急熱產生的應力及金屬的靜壓力。所以，燒層的石英態轉變一定要進行到底，以使它具有很好的高溫強度和體積穩定性。坩堝烘爐燒結的工藝步驟如下。
　　第一步，感應電爐起動。開機后從室溫烘爐至600℃以前，要將功率調控在10~25KW，進行緩慢升溫。
　　第二步，一次恒溫。此階段是 a—石英向a—鱗石英轉變過程，體積變化最大，所以在900℃時要確保恒溫2小時。
　　第三步，加料升溫。當溫度升至坩堝模焊縫開始熔化時，即可加爐料，加料時大塊料盡量放下層和靠近坩堝壁，小塊料填補空隙，并將料加滿。為使坩堝表而掛上一層完好光滑的釉面，可事先加入1公的碎玻璃。
　　第四步，二次恒溫。此階段是鱗石英向方石英轉變的過程，燒結層的厚度很大程度上取決于這一過程。按滿爐燒結的原則，金屬液應盡量地熔滿爐。當溫度升1500℃，恒溫2小時，以得到滿意的燒結層。
　　第五步，出水。要求在爐襯燒結后前三爐水不能一次倒空。第一爐出水30%，第二、三爐各出水50%，此后，可自行決定出水情況。
　　10熔煉過程控制
　　熔煉過程控制應注意以下兩點：其一是在熔化過程中應經常用爐釬捅料，若遇爐料在爐口出現“搭橋”時，不能強行下搗，只能將“搭橋”中的爐料抽出一些，然后輕輕晃動，讓爐口的冷料自然沉入已熔化的鐵水中；其二是加入合金元素時必須預熱，預熱溫度100~200℃，粒度在10~15毫米為宜。
　　11澆注溫度
　　磷鐵水的出爐溫度控制在1400℃以上，澆注溫度控制在1350~1380℃。要求澆鑄的磷鐵環表面要高出炭碗上表面3 ~5毫米，磷鐵環飽滿平整，無灰渣、氣泡，不附著磷鐵濺渣。據測算，每個磷鐵環要8公斤鐵水。所以，可采用手包澆注的方法，它具有方便快捷，靈活機動的特點。缺點是工人勞動強度較高。
　　
　　四、施工組織
　　1、材料：電解鋁預焙陽極磷生鐵澆注的主要用材料如下。
　　1.1石墨粉：要求石墨粉非晶體結構碳占75~80%，粒度＜0.75毫米；石墨與水的配比為4：10。
　　1.2生鐵（Z14）。要求有出廠合格證明及化驗單。
　　1.3硅鐵（75Si）。要求有出廠合格證明和及驗單。
　　1.4磷鐵（18P）。要求有出廠合格證明和及驗單。
　　1.5廢鋼。要求化驗成份。
　　1.6回爐料。要求化驗成份。
　　1.7碎玻璃。要求清理干凈。
　　1.8煤油。
　　1.9坩堝筑爐材料。要求坩堝筑爐材料必須有出廠合格證明和化驗單。感應電爐的坩爐材料分酸性、中性、堿性三種，可根據被熔煉金屬的性質來選擇。熔煉磷生鐵選擇酸性坩堝，其主要組成為石英砂、硼酸和水玻璃。要求石英砂SiO2含量99~99.5%；雜質含量Fe2O3≤0.5%；CaO≤0.25%；Al2O3≤0.2%。對硼酸的要求是：B2O3≥98%，粒度小于0.5毫米。
　　2、機具設備
　　按日組裝澆注50塊陽極炭塊考慮，機械設備見下表。

　　3、勞動力組織
　　勞動力組織方面：陽極組裝磷生鐵澆注屬多工種協同作業，要求即要有分工負責，又要相互配合。勞動力的數量可按日作業計劃量來確定，以日組裝澆注50塊為例，勞動力組織如下：
　　爐工4人；澆注工8人；電工2人；鉗工2人；起重工1人；天車工1人；雜工3人。
　　4、安全措施
　　陽極炭塊磷鐵澆注屬高溫作業，施工前必須對全體作業人員進行安全教育和技術交底。并爭對各工種的特點，制定嚴格的操作規程，采取必要的安全防護措施。
　　4.1制定各工種操作規程，并嚴格執行。
　　4.2接觸高溫鐵水的人員必須配戴翻毛皮鞋、皮手套、工作服、墨鏡等專用防護用具。
　　4.3若遇停電應及時將爐內的鐵水倒出（用作回爐料），并將爐膛清理干凈。
　　4.4為防止停水，應配置10方米以上的露天循環水池一個，并保持水池清潔干凈。
　　4.5炭塊堆放場地應采取防雨防潮措施，并嚴格禁止雨天進行露天澆注。
　　4.6澆包在澆注前必須進行烘干處理，
　　4.7磷生鐵熔煉過程中，應對添加的爐料進行預熱，嚴格禁止將冷爐料直接投入高溫鐵水。
　　4.8在磷鐵環完全凝固冷卻（200℃以下）之前，不得通過陽極導桿吊裝孔直接起吊陽極炭塊，以免因磷鐵環松動脫落造成事故。
　　5、環保措施
　　本施工方法具有節能環保，資源消耗低，沒有噪聲，沒有煙塵、沒有廢棄物排放、安全，可靠等特點。但還應做好以下幾方面的環保措施。
　　5.1炭塊清理過程操作人員比需配戴防塵面具（口罩），以免粉塵吸入體內。
　　5.2澆注現場應配置軸流風機，便于通風換氣和降溫。
　　5.3澆注用料及回爐料應劃定區域分類堆放。特別是碎玻璃，要設專用的容器堆放，以免劃傷人。
　　5.4中頻感應電爐用的冷卻水應配置循環水池，節約用水。
　　5.5施工現場產生的生產垃圾要集中堆放，集中處理，以免造成對周圍環境的污染。
　　6、質量要求
　　6.1澆注用的原材料必須有出廠合格證明和化驗單。
　　6.2澆注的磷生鐵化學成份必須符合設計（或業主）標準規范的要求。
　　6.3鑄鋼爪120毫米澆注區域必須清除毛刺、夾砂等缺陷。
　　6.4導桿中軸線要與炭塊底平面垂直，鋼爪與炭碗間的間隙均勻，最小處的間隙不小于10毫米。
　　6.5澆注前必須對鋼爪和炭塊的炭碗部分進行預熱，預熱溫度不低于100℃。
　　6.6磷鐵水的出爐溫度控制在1400℃以上，澆注溫度控制在1350~1380℃。要求澆鑄的磷鐵環表面要高出炭碗上表面3 ~5毫米，磷鐵環飽滿平整，無灰渣、氣泡，不附著磷鐵濺渣。
　　6.7磷鐵環與炭塊連接牢固，不得有松動現象。
　　
　　五、優缺點及效益分析
　　本施工方法由中國有色七冶在多個國內外鋁電解工程中實施，進度、質量、安全等各方面指標均能達到并滿足了設計、監理、業主的要求；承包方也取得較好的經濟效益和社會效益。總結起來該施工方法有如下特點：
　　1、采用中頻感應電爐熔煉磷生鐵，技術水平先進，資源消耗低，沒有噪聲，沒有煙塵，沒有廢棄物排放，安全，可靠。
　　2、施工占地面積小，受周圍條件限制較少。
　　3、施工組織機動靈活，方便快捷。
　　4、能滿足各種槽型、各種形式預焙陽極炭塊磷生鐵澆注對安全、質量和環保等各方面的要求。
　　5、對施工承包方來說，投入少，見效快，主要設備機具可反復使用，成本低，效率高，經濟效益很好。
　　6、對業主來說，將掛極塊（預焙陽極鋁電解槽啟動用陽極炭塊）的組裝任務交由施工方來承包，化解電解鋁系統與碳素系統工期不一至的矛盾，大大縮短電解鋁工程的投產工期，經濟效益和社會效益均十分顯著。