許炳勛 周揚(yáng) 徐建理 甄文安 成澤琨 張芳

       棕剛玉是一種人造工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于耐火材料工業(yè)、各種材質(zhì)的固結(jié)磨具、涂附磨具和研磨膏等，是國家現(xiàn)代化建設(shè)中它又是一個不可缺少的工業(yè)原料。棕剛玉產(chǎn)業(yè)在我國起步較晚，是1951年由當(dāng)時的沈陽蘇家屯砂輪廠研制成功，至今已經(jīng)走過60多年的里程。半個世紀(jì)以來，我國的棕剛玉產(chǎn)業(yè)從無到有，從小到大。
       在上世紀(jì)80年代之前，我國只有中國第一砂輪廠、第二砂輪廠、第三砂輪廠、第四砂輪廠、第七砂輪廠等幾家大的國營企業(yè)生產(chǎn)棕剛玉，當(dāng)時的產(chǎn)量也不過十幾萬噸。自從我國改革開放以來，棕剛玉生產(chǎn)像雨后春筍般蓬勃發(fā)展起來，到目前為止，全國的棕剛玉生產(chǎn)能力已經(jīng)突破300萬噸，成為世界棕剛玉生產(chǎn)第一大國。但是棕剛玉的生產(chǎn)是非常消耗能源的，當(dāng)今，節(jié)能減排不僅是國家政策所趨，也是降低成本、提倡低碳經(jīng)濟(jì)所需，所以現(xiàn)在筆者就棕剛玉節(jié)能措施的研究展開論述。

       降低冶煉成本

       棕剛玉傾倒?fàn)t在生產(chǎn)過程中大量消耗電能，是名副其實的“電老虎”。在如何降低耗電量方面，我們經(jīng)過不斷實踐，主要從以下三方面進(jìn)行改進(jìn)：
       鋁礬土是生產(chǎn)棕剛玉的主要原材料，但它也是鋁工業(yè)、耐火材料工業(yè)和石油工業(yè)的主要原材料。隨著國家工業(yè)化進(jìn)程的不斷提速以及鋁工業(yè)、耐火材料工業(yè)、石油工業(yè)的飛速發(fā)展，高品位的鋁礬土礦已蹤跡難覓，棕剛玉生產(chǎn)對鋁礬土礦的要求與鋁工業(yè)、耐火材料工業(yè)不同，后者要求鋁礬土礦的品位較低。
       我國的棕剛玉生產(chǎn)起初都是用固定爐進(jìn)行生產(chǎn)的，上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了傾倒?fàn)t生產(chǎn)工藝，目前我國棕剛玉生產(chǎn)使用固定爐和傾倒?fàn)t的比例大約為3∶4。不論是固定爐也好或是傾倒?fàn)t生產(chǎn)也罷，其生產(chǎn)工藝基本相似，都是以鋁礬土為主要原材料，再配以其它輔助材料在礦熱爐中經(jīng)高溫熔化，經(jīng)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)而制得的，是一種能耗比較高的產(chǎn)品，其能耗費用占生產(chǎn)成本的2/5~1/2，因此鋁礬土品質(zhì)的好壞決定了能耗的高低。上世紀(jì)80年代之前，生產(chǎn)棕剛玉所用的鋁礬土其Al2O3含量均為80%左右，鋁硅比為20∶1。用這種高品鋁礬土生產(chǎn)棕剛玉時，固定爐的單位耗電為2600千瓦時左右，傾倒?fàn)t單位耗電為2500千瓦時左右。
       目前在我國境內(nèi)Al2O3含量達(dá)到85%的鋁礬土礦奇缺，或者說已經(jīng)枯竭。現(xiàn)在生產(chǎn)棕剛玉所用的鋁礬土其Al2O3的含量多在70%~80%之間,SiO2含量在5%~15%之間。鋁礬土中SiO2含量的高低對單位耗電的影響顯著，有資料表明，SiO2在鋁礬土中的含量每增加2%時其單位耗電可增加8%~16%。因此，目前各棕剛玉生產(chǎn)企業(yè)單位耗電都居高不下，固定爐單位耗電達(dá)到2800千瓦時左右，傾倒?fàn)t單位耗電達(dá)到2700千瓦時左右，有些甚至更高，加之電力和原材料價格不斷上漲，使生產(chǎn)成本長期在高位運(yùn)行，企業(yè)生產(chǎn)成本壓力很大，同時也給節(jié)能減排帶來了巨大的困難。
       目前，生產(chǎn)棕剛玉所用鋁礬土的Al2O3含量為70%~75%的礦居多，用這樣的鋁礬土礦去冶煉棕剛玉時單位耗電已在3000千瓦時以上，按當(dāng)前的電價計算，能耗費用要占生產(chǎn)成本的2/5以上，生產(chǎn)企業(yè)已基本上無利可圖。由于諸多基礎(chǔ)工業(yè)及剛玉制造業(yè)的快速發(fā)展，鋁礬土需求量迅猛增長。由于鋁礬土資源的匱乏，再加上有的礬土供應(yīng)商和中間環(huán)節(jié)的不規(guī)范行為，棕剛玉冶煉所用的熟鋁礬土數(shù)量難以得到保證，而且質(zhì)量嚴(yán)重下滑，棕剛玉冶煉成本更是節(jié)節(jié)攀升。因此嚴(yán)格控制原材料入廠標(biāo)準(zhǔn)，不僅是降低生產(chǎn)能耗的要求，更是企業(yè)生存的需要。

       改進(jìn)冶煉設(shè)備

       縮短短網(wǎng)的長度。縮短短網(wǎng)的具體措施有以下幾個：電爐變壓器要在滿足安全距離和操作間距的情況下盡量靠近爐體，在變壓器下加支持底座，使各段短網(wǎng)處于同一水平面上，變壓器低壓出線的中部位置與短網(wǎng)的水平面的高度相等，這樣就省略了從變壓器出線至短網(wǎng)水平面這一段。
       減少接觸電阻。為了減少短網(wǎng)電阻，短網(wǎng)各部分連接方式應(yīng)盡量采用焊接，或減少接頭或增大接觸面積，并有足夠的接觸壓力，以減少短網(wǎng)各部分的接觸電阻。
       傾倒?fàn)t短網(wǎng)的接頭較多，而通過短網(wǎng)的電流很大。連接不良，就會使接觸電阻增大，不但會增大短網(wǎng)的功率損耗，還可能燒毀接頭。因此應(yīng)盡量減少接頭，對不拆卸的接頭應(yīng)采用焊接的方法或增大接觸面積，接觸面應(yīng)保持清潔平整，使之有足夠的壓力。
       此外，可采取的改進(jìn)措施還包括降低短網(wǎng)溫度、改進(jìn)電極把持器、減少附加電阻、改進(jìn)循環(huán)水冷卻方式等等，方式眾多，在此不一一贅述。

       改進(jìn)冶煉工藝

       半個多世紀(jì)以來，棕剛玉生產(chǎn)仍沿用傳統(tǒng)的工藝，從未改變。隨著時代的變遷、礦產(chǎn)資源銳減、礦產(chǎn)品的質(zhì)量不斷下降、原材料和能源價格的不斷提升，節(jié)能減排任務(wù)日趨繁重，棕剛玉生產(chǎn)已經(jīng)四面楚歌，如果在技術(shù)上沒有新的突破，可以預(yù)測十年之后生產(chǎn)棕剛玉的單位能耗及生產(chǎn)成本均會出現(xiàn)驚人的大幅上升，一部分棕剛玉生產(chǎn)企業(yè)也會因此而被迫關(guān)停。按照目前市場價格為不變價進(jìn)行測算，屆時棕剛玉的生產(chǎn)成本將穩(wěn)定在4500元~5000元/噸，節(jié)能減排將成為不可逾越的難題。鑒于以上各種因素，未來的棕剛玉生產(chǎn)和發(fā)展必須在科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下盡快轉(zhuǎn)變生產(chǎn)發(fā)展方式，走技術(shù)創(chuàng)新之路。
       棕剛玉的冶煉工藝過程分為起弧、熔煉、控制、精煉4個階段。
       起弧是棕剛玉冶煉的前提，為使三相電極之間電流相同，要擺放起弧焦。起弧焦擺放時，先加少量礬土，平整爐底，電極稍離爐底。用鐵屑與碳粒混合以一定形狀鋪設(shè)在爐池中心，三根電極下部多鋪設(shè)起弧焦，使三相電極互相成通路。起弧焦擺放方法有3種：星形擺放法、實心三角形擺放法和空心三角形擺放法。經(jīng)過實踐對比選擇星形擺放法，其優(yōu)點是起弧焦用量少，爐內(nèi)增碳少，起弧快，熱量集中在爐池中心。
       擺放好起弧焦后進(jìn)行送電起弧，落下三相電極至起弧焦上，看到弧光和聽到電弧聲時，說明已經(jīng)起弧。待電流升至正常負(fù)荷的20%～50%時，在電極外側(cè)和弧光區(qū)加少量爐料壓住弧光。待電流上升到80%負(fù)荷時，正常加料，進(jìn)入熔煉階段。
       熔煉占全部冶煉時間的80%以上，能有效把握棕剛玉冶煉的熔煉階段是十分重要。在熔煉階段，要使?fàn)t料熔化成液態(tài)，使雜質(zhì)還原，生成鐵合金并與剛玉溶液分離。在熔煉過程中，要不斷地用沾棍對熔液質(zhì)量檢查做出必要的爐前調(diào)整，還要防止各種“反常現(xiàn)象”的發(fā)生。根據(jù)熔煉程度料層會緩慢下落，保證爐內(nèi)熔液充足在熔煉過程中要進(jìn)行投料，投料以加滿電爐使熔煉期終了為主要目標(biāo)。新工藝改進(jìn)主要是更進(jìn)一步掌控熔煉階段這一重要環(huán)節(jié)，熔煉階段是關(guān)系著冶煉生產(chǎn)安全、能源消耗、冶煉單位時間利用、煙塵排放和工人勞動強(qiáng)度的重要環(huán)節(jié)。
       所謂控制就是在一定時期內(nèi)，停止加料，讓爐內(nèi)的料盡量熔融和還原，并使熔化面積向外擴(kuò)大。爐況控制得好，溶液緩慢上升，整個料面就均勻下沉，料下得多，熔化得快。在控制期內(nèi)，應(yīng)盡量把熱量用到擴(kuò)大熔化面積上，待結(jié)束后在投入爐邊預(yù)熱料繼續(xù)熔煉。在控制期內(nèi)，如果爐料并未完全熔融，應(yīng)避免溶液溫度降低讓爐料緩慢進(jìn)入熔液，這樣就會造成弧光暴露在外，爐內(nèi)熱損失大，電能損耗過大。
       精煉的目的是把雜質(zhì)充分還原，使鐵合金較好地沉淀聚集，爐內(nèi)氣體暢通排出，同時進(jìn)一步提高熔液溫度和擴(kuò)大熔化面積。電爐轉(zhuǎn)入精煉時要停止加料，采用低電壓，使投入的爐料盡量熔化。精煉充分的特征是：爐內(nèi)料層很薄，電極周圍的爐料和熔液緊緊相貼，液面十分穩(wěn)定；三相電極電流表指針穩(wěn)定。電極根逸出氣體不多，電弧聲一致不間斷。精煉期如果控制不好會過分地增加電能的消耗。精煉的好壞直接影響剛玉的質(zhì)量和產(chǎn)量。
       在長期的實踐過程中，我們對冶煉工藝不斷進(jìn)行改進(jìn)，摸索出一套適合生產(chǎn)現(xiàn)狀的冶煉新方法。傾倒?fàn)t冶煉新工藝結(jié)合了自身條件，在冶煉過程中可以調(diào)整碳量的配比，彌補(bǔ)了因化驗誤差、配方不準(zhǔn)導(dǎo)致爐況不穩(wěn)定的缺陷；增加補(bǔ)料次數(shù)，將暴露在外的弧光掩埋，提高對電弧熱能的利用水平；降低料面高度，增大爐殼上部到水冷蓋下部的空間，增加爐內(nèi)空間，保證煙塵可以被很好地捕集，減少煙塵的排放；采用薄料面運(yùn)行，使還原反應(yīng)產(chǎn)生的氣體均勻排出，降低爐內(nèi)氣體壓力，避免噴爐現(xiàn)象的發(fā)生。
       通過比較敞弧法和埋弧法的優(yōu)缺點，結(jié)合我們生產(chǎn)中的實際運(yùn)用，棕剛玉冶煉新工藝采用半敞半埋的方式。新工藝可以控制原料的投入量，降低了料面高度，跟傳統(tǒng)傾倒?fàn)t冶煉工藝相比料面高度降低40厘米，增加了爐內(nèi)空間；降低了煙塵在爐內(nèi)的密度，有效地對排放出來的煙塵進(jìn)行處理，使得煙塵不外逸在操作區(qū)內(nèi)。相比傳統(tǒng)的傾倒?fàn)t冶煉工藝，其環(huán)保效果更加明顯，讓工人避免接觸到排放出的煙塵，更能保障工人的健康。
       從實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以看出，傾倒?fàn)t冶煉工藝能有效地提高產(chǎn)量、降低電耗，保證經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)步增長。
       節(jié)能關(guān)乎企業(yè)的生存和發(fā)展，通過不斷改革創(chuàng)新，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力、生命力，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是企業(yè)所應(yīng)追求的。
       隨著近年來中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，棕剛玉行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新力度不斷加大，未來其有望成為中國磨料磨具大類中占比最大的產(chǎn)品種類。同時，棕剛玉在研磨工業(yè)鏈后期的獨特優(yōu)勢，也極大地推動了棕剛玉在拋光中的應(yīng)用。只有不斷地技術(shù)創(chuàng)新，走節(jié)能減排的道路，才是棕剛玉行業(yè)今后發(fā)展的必經(jīng)之路。
       （此文刊登于《中國冶金報》2015年3月3日12版）